43年後終於觀察到了中微子的「溫柔接觸」

物理學家們通常對他們（理論）希望發生的事情發表了大量的預言，但在他們的有生之年可能不會發生。例如一位物理學家認為在某些情況下難以置信的普通但難以檢測的中微子粒子會使整個原子核擺動。他認為即使是提出這個問題也會是一個愚蠢的想法。

圖片：Oak Ridge National Laboratory, US DOE, Genevieve Martin

但40年後科學家們宣布他們發現了這一事實。並且至今他還健在看見自己的理論預言被驗證。

具體來說科學家已經找到了一種全新的方法來測量「相干中微子-核碰撞」。一名物理學家在七十年代首先預測了這些中微子相互作用的可能性，一些人認為這一發現對未來使用中微子的方法幾乎具有科幻意味。其他人在的採取更多的測量。但有一件事是肯定的：物理學家認為結果令人興奮。

根據我們的物理定律粒子有四種相互作用方式：引力、電磁學、強核力和弱核力。中微子是一種特殊的粒子，它只能通過微弱的核力和引力與其他粒子相互作用，這兩種粒子在地球上的實驗室都很難探測到。中子是原子核中的兩個粒子之一，它可以通過一個叫做β衰變的弱力相互作用，它們自發地變成質子，釋放出中微子和電子。

今天物理學家測量中微子的方式有一種反向過程。如果一個中微子擊中了一個質子，它可能會引起一個逆β衰變，將質子變成一個電子和一個中子，然後電子就會產生一閃一閃的光，探測器就能探測到。但這種相互作用是罕見的，需要大量的液體來捕捉。

丹尼爾·弗里德曼(Daniel Freedman)是麻省理工學院(MIT)的理論物理學名譽教授，他曾在1974年發表在《物理評論》(Physical Review d)上的一篇論文中預言了一種不同類型的中微子的相互作用，他認為中微子可以與整個原子核相互作用，而不是與質子相互作用。這一過程將是低能量的，因為中微子只能產生微弱的作用力，但它也更常見，因為原子核比質子大得多。它將為中微子探測提供比50千噸水更小的探測器。

帶有相干檢測器模型的項圈，圖片：Jean Lachat/UChicago

但是弗里德曼寫道：我的預測可能是一種傲慢的行為，因為交互率、解析度和背景的必然限制對彈性中微子核散射造成嚴重的實驗困難。換句話說他認為這種互動太過脆弱，很難捕捉到。

四十年後橡樹嶺國家實驗室的一組物理學家證明了弗里德曼的觀點是正確的。

「我很高興1974年在我的論文中提出的實驗終於實現了」

這個觀察來自一個特殊的實驗和好運，橡樹嶺國家實驗室有一個中子(非中微子)實驗，叫做散裂中子源(SNS)。它在光束線上將中子泵出，但卻產生了大量的中微子（這是一種「副產品」也是一種連貫的動作）呈現出新的結果，中子可能會遮蔽信號，在20英尺的混凝土後面發現了一個點，足以保護任何來自SNS的東西，除了中微子我們真的很幸運能在SNS上找到這個非常棒的地方，杜克大學的物理學家該組織的發言人凱特·肖爾伯格(Kate Scholberg)在《科學(Science)雜誌上宣布了他們的研究結果，我擔心我們會被中子背景殺死，結果證明這不是真的。

這個連貫的實驗本質上是一個晶體，當中微子擊中晶格時，通過弱力的相互作用會導致原子核擺動，釋放出一個微小的可探測光，衣領說中子束的脈衝斷斷續續，產生一個可見的上升和下降的探測信號，我們知道中微子應該是什麼時候到來的，因為光束每秒只發生60次。

你可以很清楚地看到當光束被打開時，探測器(黑點)的信號會增加，這表明團隊已經測量了中微子-原子核的相互作用。

Scholberg說除了證明一個四十年前的理論，這個實驗已經開始限制一些關於中微子行為的建議。最重要的應用是潛在的未來的更小的中微子實驗。也許50年後我們將會有一些中微子技術。就像今天的高科技激光器一樣，公眾也可以使用它。

其他的團隊正也在其他實驗室尋找同樣的信號，夏威夷大學的物理學家約翰·格雷戈里(John Gregory)說：這是一個巨大的成功，它發現了一個獨特的過程，每個人都相信它的存在，但卻很難辨別。他特別把帽子戴在衣領上，但他確實要求對未來的前景保持謹慎，目前他認為應用程序將相當有限。

當然，弗里德曼說：我很高興我在1974年的論文中提出的預言實驗終於實現了。

原作者：Ryan F. Mandelbaum

編譯：光量子，審校：博科園

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