重大突破!最新實驗或讓科學家離神祕的中微子更近了一步!

我們知道,中微子可能是已知粒子中最令人困惑的一種粒子。它們完全無視所有已知的粒子應該如何運動的規則。他們嘲笑我們花哨的探測器。就像宇宙中的貓一樣,它們無憂無慮地在宇宙中漫步,偶爾與我們互動,但只有當它們喜歡的時候才會這樣做,老實說,這種情況並不常見。

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最讓人沮喪的是,他們戴著面具,而且從來不會兩次看起來都一樣,它們的身份實在讓人捉摸不透。

幾十年來,物理學家們一直對“真正的”中微子諱莫如深。但是這回他們能在南極洲找到嗎?雖然“真正的中微子”長期以來一直躲避著物理學家,但是南極洲的冰立方中微子觀測站可能會幫助物理學家找到它們。

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在這幅圖中,中微子與南極冰相互作用,在這個過程中脫落了一個介子。當這個介子以超快的速度移動時,它會留下一道藍光的痕跡,這就是所謂的切倫科夫輻射。

但一項新的實驗可能讓我們離摘掉這些面具又近了一步。揭示中微子的真實身份有助於回答長期存在的問題,比如中微子是否是它們自己的反物質夥伴,甚至有助於將自然力統一為一個統一的理論。

首先我們知道,中微子有三種:電子中微子,介子中微子和中微子。之所以這樣命名是因為這三種粒子可以與三種不同的粒子結合在一起。比如電子中微子參與電子的相互作用。

對於非中微子的粒子,比如電子、介子和tau粒子,除了質量不同外,這些粒子都是完全相同的。如果你發現一個粒子有電子的質量,它的行為就會和電子的行為完全一樣,μ子和tau也一樣。更重要的是,一旦你發現一個電子,它總是一個電子。不多也不少。muon和tau也是一樣。但它們的近親介子和中微子就不一樣了。

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我們所說的“中微子”並不總是中微子。它可以改變自己的身份。它可以在飛行途中變成電子或介子中微子。

基本上沒有人預料到的這種奇怪現象叫做中微子振盪。這意味著,你可以創造一個電子中微子,並把它作為禮物送給你最好的朋友。但是當他們得到它的時候,他們可能會失望地發現一箇中微子,這是非常神奇的。

由於技術上的原因,中微子振盪只有在三個不同質量的中微子同時存在時才會發生。但是振盪的中微子不是電子中微子、介子中微子和陶子中微子。

相反,有三個“真正的”中微子,每個中微子的質量不同,但質量未知。這些真實的基本中微子的獨特組合創造了我們在實驗室中檢測到的每一種中微子味道(電子,介子,tau)。所以,實驗室測量的質量是真實中微子質量的混合物。與此同時,混合物中每一個真正中微子的質量決定了它轉變成每種不同口味的頻率。而現在物理學家的主要工作就是解開所有的關係!包括那些真正的中微子的質量是多少?它們如何混合在一起形成這三種味道?

因此,物理學家們正在尋找“真正的”中微子的質量,通過觀察它們何時以及多久變換一次口味。科學家給這三個中微子的名字命名為m1、m2和m3。

通過各種艱苦的實驗,科學家們至少間接地瞭解了真正中微子的質量。例如,我們知道質量的平方之間的一些關係。但是我們不知道真正的中微子到底有多重,也不知道哪個更重。

可能m3是最重的,而且遠遠超過m2和m1。這就是所謂的“正常順序”,因為它看起來很正常,這是物理學家幾十年前就已經猜到的順序。但根據我們目前的知識狀況,m2也可能是最重的中微子,m1緊隨其後,相比之下m3則微不足道。這種情況稱為“倒序”,因為這意味著我們最初猜錯了順序。

當然,也有理論家陣營渴望上述每一種情況都是真實的。試圖將所有(或至少大部分)自然力統一在一個屋簷下的理論,他們通常要求正常的中微子質量排序。另一方面,為了使中微子成為它自己的反粒子孿生體,反質量序是必要的。如果這是真的,那麼它將有助於解釋為什麼宇宙中物質多於反物質。

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那麼它到底是正的還是反的?這是過去幾十年中微子研究中湧現出來的最大問題之一,而這正是南極洲大型冰立方中微子天文臺的設計初衷。該觀測站由數十串沉入南極冰蓋的探測器組成,中心的“深核”由8串效率更高的探測器組成,能夠看到能量較低的相互作用。

雖然中微子幾乎不與正常物質交談,而且它們完全有能力直接穿過地球本身。當它們這樣做的時候,它們會變成各種各樣的味道。每隔一段時間,它們就會撞擊南極冰原上靠近冰立方探測器的一個分子,引發一連串的粒子,釋放出一種令人驚訝的藍光——切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。冰立方字符串探測到的就是這種光。

冰立方的科學家們使用了三年的深核數據來測量每種中微子通過地球的數量。雖然進展是相當緩慢,因為中微子很難捕捉到。但在這項工作中。科學家們報告說,他們對正常排序的數據略微有些線索,我們和中微子的距離正在拉近,這是一個令人興奮的消息。


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