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尋找中微子的最新進展預示著物理學的新篇章

尋找中微子的最新進展預示著物理學的新篇章

2021-10-29 Comments 0 Comment

據一直在尋找宇宙的一個重要組成部分的科學家稱,物理學的一個新篇章已經開啟。 一項重要的實驗被用來尋找一種難以捉摸的亞原子粒子:構成我們日常生活的物質的一個關鍵組成部分,這次搜索未能找到這種被稱為為sterile neutrino的亞原子粒子,這現在將引導物理學家走向更有趣的理論,以幫助解釋宇宙是如何形成的。

科學技術設施委員會(STFC)的執行主席馬克-湯姆森(Mark Thomson)教授將這一結果描述為”相當激動人心”,該委員會資助了英國對Microboone實驗的貢獻。 這是因為相當一部分物理學家一直在以為sterile neutrino的存在是一種可能性為基礎發展他們的理論。

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Microboone實驗的基地位於伊利諾伊州巴達維亞的美國費米國家加速器實驗室(Fermilab)就在芝加哥城外。 但是來自許多國家的物理學家都參與了這個專案。 Microboone的電子架位於探測器的正上方,在一個平臺上,可以阻擋可能影響結果準確性的大量宇宙輻射。

中微子是幽靈般的亞原子粒子,它們滲透在宇宙中,但幾乎不與我們周圍的日常世界發生互動。 每一秒鐘,都有數十億個中微子穿過地球–以及生活在地球上的每個人。

中微子有三種已知的形態:electron, muon 以及 tau。 1998年,日本研究人員發現,中微子在旅行過程中會從一種變成另一種。

目前的亞原子物理學「大理論」–即所謂的標準模型–無法完全解釋這種轉換。 一些物理學家認為,找出中微子具有如此微小的品質的原因–這就是使它們能夠改變形態的原因–將使他們更深入地瞭解宇宙是如何運作的,特別是宇宙是如何產生的。

目前的理論表明,在大爆炸之後不久,存在著等量的物質和其陰暗的鏡像反物質。 然而,當物質與反物質相撞時,它們會猛烈地相互湮滅,釋放出能量。 如果早期宇宙中的物質數量相等,它們應該相互抵消。 相反,今天的宇宙大部分是由物質構成的,反物質的數量要少得多。

一些科學家認為,包含中微子轉換在內的一些宇宙行為,使一些物質在大爆炸後得以存活,並創造了構成宇宙的行星、恆星和星系。

20世紀90年代,美國能源部新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一項名為「液體閃爍器中微子探測器」的實驗發現,產生的電子中微子比三中微子轉換形態理論所能解釋的要多。 這一結果在2002年的一次單獨實驗中得到了證實。

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物理學家們提出了第四種中微子的存在,稱為sterile neutrino。 他們認為這種形式的粒子可以解釋電子中微子的過度生產,關鍵是可以深入瞭解為什麼粒子會改變形態。

它們被命名為sterile neutrino,因為它們被預測為根本不會與物質發生相互作用,而其他中微子可以–儘管非常少。 探測到不育中微子將是亞原子物理學中比希格斯玻色子更大的發現,因為與其他形式的中微子和希格斯粒子不同,它不是當前物理學標準模型的一部分。

一個由來自五個國家的近200名科學家組成的團隊開發並建造了微型助推器中微子實驗,或稱Microboone,以便找到它。 Microboone由150噸的硬體組成,其空間大小相當於一輛貨車。 它的探測器高度敏感:它對亞原子世界的觀察被比喻為以超高清的方式觀察。

該團隊現在宣佈,對該實驗收集的數據進行的四次單獨分析顯示,”沒有暗示”sterile neutrino的存在。 但這一結果與其說是故事的結束,不如說是新篇章的開始。

費米實驗室的薩姆-澤勒博士說,未探測到並不意味著與之前的發現相矛盾。

“先前的數據並沒有說謊,但有一些非常有趣的事情發生,我們仍然需要解釋。 數據正在引導我們遠離可能的解釋,並指向更複雜、更有趣的東西,這真的很令人興奮。 “

曼徹斯特大學的賈斯汀-埃文斯教授認為,最新發現所帶來的難題標誌著中微子研究的一個轉捩點:「每次我們研究中微子,我們似乎都會發現一些新的或意想不到的東西。 “Microboone實驗室的結果把我們帶入了一個新的方向,我們的中微子專案要去探尋其中一些謎團的真相。”

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