為新的基本粒子尋找證據

最新 06-28

編譯 | Quest

排版 | 徐徐

在芝加哥附近的費米國家加速器實驗室進行的一項實驗發現了比預期更多的電子中微子 - 一種稱為不育中微子的革命性新基本粒子的可能預兆，儘管許多物理學家仍然持懷疑態度。

在芝加哥附近的費米國家加速器實驗室進行的一項實驗發現了比預期更多的電子中微子 ——一種稱為惰性中微子的革命性新基本粒子的可能預兆，儘管許多物理學家仍然持懷疑態度。

在MiniBooNE實驗中，光電探測器捕獲中微子與原子核相互作用時產生的光

圖片來源： Fermilab

來自芝加哥附近費米國家加速器實驗室的一次中微子實驗的新報告令物理學家感到非常興奮和困惑。 MiniBooNE實驗已經發現了比預期更多的特定類型的中微子，這個發現很容易被新基本粒子的存在所解釋：一種「惰性」中微子比三種已知的中微子類型更加奇怪和更隱遁。

卡內基梅隆大學的物理學家斯科特·多德爾森說，中微子異常的持久性非常令人興奮。它「表明事情確實在發生」，至於在發生什麼，還沒人能說。

麻省理工學院的中微子物理學家，MiniBooNE合作組織成員珍妮特康拉德說：「我對這個結果感到非常興奮，但我還沒有準備好說"尤里卡！"。

惰性中微子的存在會使物理學從最小尺度到最大尺度發生革命性的變化。它最終會打破自20世紀70年代以來的粒子物理標準模型。它還會要求一個新的宇宙學標準模型，標準模型中還有其他潛在的裂縫，中微子悖論可能會指向一種新的更好的模型。」

中微子是每秒數十億次通過我們身體的微小顆粒，但很少相互作用。它們不斷在三種已知類型的中微子之間搖擺，稱為電子中微子，μ中微子和τ中微子。 MiniBooNE實驗將一束μ子中微子射向一個巨型油罐。在前往油箱的途中，這些μ子中微子中的一些應該轉換成電子中微子，速度由兩者之間的質量差異決定。然後，MiniBooNE監測電子中微子的到達，當它們與油分子相互作用時，它們在極少數情況下會產生特徵性輻射閃光。在其15年的運行中，MiniBooNE已經記錄了數百個電子中微子。

最令人驚訝又最簡單的解釋是，一些μ子中微子振蕩成一種不同的，更重的第四種中微子——一種惰性的中微子，意味著它從不與任何非中微子相互作用，而且這些重中性的一些中微子然後振蕩變成電子中微子。較大的質量差異意味著更高的振蕩速率和更高的檢測效率。

MiniBooNE的油箱直徑12米，內襯1,520個光電探測器

Credit：瑞安帕特森/普林斯頓/費米實驗室

洛斯阿拉莫斯的液體閃爍體中微子探測器（LSND）在20世紀90年代發現了類似的異常現象，促使了MiniBooNE的建造。然而，與LSND和MiniBooNE不同的其他中微子實驗卻未能產生推定惰性中微子的清晰標誌。

如果惰性中微子確實解釋了新的結果，物理學家就很難看出這些新粒子的性質如何與我們所知道的其他一切相容。也許最令人擔憂的是，宇宙早期觀測表明，那時只有三種中微子存在。為了理解LSND，MiniBooNE和迄今為止所有其他的實驗，也許我們需要一些全新的理論框架。

此外，可假設適合MiniBooNE數據的特定惰性中微子不能解決任何導致物理學家首先對這些粒子進行理論推理的奧秘。如果足夠的重量，惰性的中微子可以作為看似吞沒星系的看不見的「暗物質」。他們會通過稱為蹺蹺板機制的數學技巧來解釋為什麼電子，μ子和τ子中微子是如此輕量級的。但在低於1電子伏特時，推定的MiniBooNE惰性中微子缺乏用於這些其他目的的分量。羅格斯大學粒子物理學家馬修巴克利說：「我們沒有理由期待1eV的不育中微子。「並不是說這已經阻止了宇宙在過去添加新的粒子。」

混亂導致許多專家遏制了他們的樂觀情緒，並懷疑MiniBooNE和LSND都陷入了一些未知的錯誤。布魯塞爾自由大學的物理學家Freya Blekman認為，實驗可能有系統地低估了MiniBooNE油罐內粒子稱為中性分子的速率——模擬來自電子中微子信號的事件。

「顯然有一些事情需要了解，我當然希望它是第四顆中微子，」紐約大學理論物理學家尼爾韋納說。「這就是說，這將是超越標準模型的第一個被發現的粒子，因此證據的門檻顯然非常高。」隨著後續的實驗，包括Conrad和稱為IsoDAR的實驗，將會有更明確的答案。計算在一束光的末端給定某一類中微子的數量，它會捕捉中微子在它們傳播時在不同分類之間來回擺動，這將給出振蕩的更全面的圖像。

現在，我們只是知道，我們正走在去理解更多的道路上。

本文來源：

https://www.quantamagazine.org/evidence-found-for-a-new-fundamental-particle-20180601/

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