追尋惰性中微子

冰立方(IceCube) 探測器沒有發現惰性中微子存在的證據，嚴格限制了新一類中微子可能的質量範圍。

中微子只通過輕微的弱力和引力跟物質作用，但它們卻在不同尺度上起關鍵作用。它們影響早期宇宙的形成，涉及大爆炸後不久重子的起源，也跟恆星內部的核合成有關，包括恆星死亡時的超新星爆發。其實中微子無處不在：因鉀同位素(40K)衰變，一根香蕉每天就釋放上百萬個中微子。

一般認為中微子只有三類，然而有些實驗卻暗示可能存在一種新的、只參與引力作用的中微子。如果這種「惰性」中微子的確存在，那將影響宇宙演化進程。找尋惰性中微子已幾十年，但一波三折。利用南極世界最大中微子探測器，冰立方實驗近期發布分析結果：相當大程度上排除惰性中微子的存在！

粒子物理標準模型給出三味中微子，每一味伴隨其帶電的夥伴粒子(即電子、μ子和τ子)。中微子振蕩意味著某一味中微子可以轉換成另一味，中微子味本徵態其實是質量本徵態(具有確定的質量m1，m2和m3)的線性疊加。這完美地體現了量子力學的態疊加原理。此外，一類中微子轉換成另一類的距離，即中微子振蕩波長，決定於所參與質量本徵態的質量平方差。對於已知中微子而言，這些平方差( m22－ m12和m32－ m22)都被高精度地測量。

然而，可能有實驗發現跟已知微子振蕩波長不吻合的證據。最典型的例子有二：洛斯阿拉莫斯國立實驗室LSND實驗在束中觀察到，費米實驗室MiniBooNE 實驗發現νe和都超出。其他實驗包括核反應堆或強放射源νe和的反常缺失等。

若存在質量為m4的第四質量本徵態，或可解釋如上實驗。這個第四態必須是惰性的，即只跟已知中微子微弱地混合。若存在，那麼應觀察到小幅度中微子振蕩，振蕩波長由Δm2( m42與已知中微子質量平方之差)確定。以前實驗給出Δm2範圍為0.1—10 eV2(宇宙學測量要求m4大於m1，m2或m3)。

不同於搜索惰性中微子的傳統方法，冰立方實驗主要為探測宇宙中極端事件的高能中微子而設計。該探測器埋在南極冰層下，分布1 km3體積，包含數以千計的光學感測器。當一個高能中微子與冰作用時，將產生帶電粒子並輻射光。依據光信號的幅度和時刻，研究者即可重建初級中微子的屬性。

冰立方之所以對惰性中微子νs敏感，關鍵是其可精確測量TeV 大氣中微子νμ和的能量和方向。真空中νμ較少振蕩為νs。但當中微子穿過緻密物質時，由於所謂的物質共振效應，這種振蕩大大增強，導致特定能量的νμ明顯缺失。在他們的實驗中，冰立方研究人員考慮物質效應，追尋那些從北極來的、穿過地球核心的大氣中微子νμ和(見圖)，並核查能量320 GeV至20 TeV中微子νμ和的丟失。設νs質量比已知中微子大，理論預測共振能段的幾乎會完全丟失，而冰立方並未發現。

為尋找惰性中微子，冰立方(IceCube)實驗核查大氣μ中微子(νμ)穿過地核至探測器(黑點)後的丟失。若存在惰性中微子νs，則地核將使νμ振蕩為νs得到增強；與純粹三味中微子振蕩相比，會造成更多的νμ缺失

冰立方實驗嚴格限制了惰性中微子的可能存在。事實上，將冰立方和其他實驗的數據結合起來分析表明，Δm2在1 到2 eV2範圍內。一些在建的新實驗擬深入探索這一參數範圍的物理，我們拭目以待。不過，冰立方的結果已為未來的研究指明了方向。

更多內容詳見：M. G. Aartsenet al. Phys. Rev. Lett.， 2016， 117：071801。

(北京大學徐仁新編譯自David W. Schmitz. Physics，August 8，2016)

本文選自《物理》2016年第10期

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