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最新实验进一步缩小了中微子静止质量的范围

老郝 2019-09-24 257°c

最新实验进一步缩小了中微子静止质量的范围

中微子很奇怪。它们是宇宙中最丰富的粒子之一,但很难被发现。由于其独特的性质,它们以接近光速的速度穿越宇宙时,与普通物质几乎没有多少相互作用。

此时此刻,就有数十亿个中微子正穿过您的身体——所以它也被叫做“鬼魂粒子”。

经过多年的校准和测试,卡尔斯鲁厄中微子(KATRIN)实验项目于去年春天开始启动,目标是得到中微子的静止质量。

本月初,研究人员在日本的一次会议上发布了他们的第一批成果。

尽管具体内容尚未公布,但研究团队已将原来的估计值减半,从先前的约2电子伏的上限降低到仅为1电子伏。

与磅和千克这类的质量单位不同,精确到单个电子伏这样的测量很难想象。麻省理工学院的物理学家Joseph Formaggio和KATRIN实验团队的主要成员建议先确定上限,然后再进一步缩小范围。

“每个病毒由约一千万个质子组成,”Formaggio介绍说,“质子的重量比电子大近2000倍,而中微子的质量不到单个电子的1/500000!”

当然,对于中微子极小的静止质量,人们倒是早有预料。实际上,当最初把它们纳入物理学标准模型的时候,曾经假定过中微子的静止质量为0。

1990年代末期,一项具有里程碑意义的实验,用事实推翻了这一假设——实验证明,从太阳流出的中微子在某些方面发生了变化,即其质量不能为零。

因此,如果不为零,那是多少?二十多年里,我们用诸多实验,尽力确定其质量范围。

问题是中微子与构成我们世界的其它粒子唯一的相互作用是弱核力,而这很难以检测。

华盛顿大学的物理学家Hamish Robertson说:“如果给太阳系外面包裹上厚厚的铅层,厚度超冥王星轨道的50倍,那么太阳发出的中微子仍约有一半机会离开太阳系而不会与铅发生相互作用。”

因此,物理学家必须找到间接的测量方法。

天文学的观察表明,质量至少为0.02电子伏特。基于其他实验表明,不能超过2.2电子伏特——现在KATRIN又将上限减半。

当氢同位素衰变时,可以以电子加反中微子的形式释放出一对高能粒子。

由于物理学家确信中微子的质量与其反粒子相同,因此衰变过程提供了进行精确测量的主要机会。

衰变释放的能量分配给加速的电子和反中微子。如果您还记得经典的质能公式E=mc^2公式,那么质量和能量就是同一枚硬币的两个方面。加速的反中微子具有动能,也要计入其质量。

但是,粒子物理学家们感兴趣的是静止质量。因此,他们需要筛选大量的衰变事件,以找到能使电子获得最大动能的少数衰变事件。

从理论上讲,能量的剩余部分应该为静止中微子的质量划定了上限。

幸运的是,实验用到的放射性气体每秒放射出约250亿对粒子,所以几乎总能找到合适的。

华盛顿大学的物理学家Peter Doe说:“它们无处不在,一旦确定了质量,我们可以从中知晓很多东西。”

本文译自 sciencealert

文章来源: 煎蛋

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