神秘“暗区”能否解释令人困惑的中微子谜题?

2022年05月25日 12:17 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

多年来,对中微子的测量结果相互矛盾使一些物理学家提出,宇宙中存在一个充斥着不可见粒子的“暗区”,可以同时解释暗物质、宇宙膨胀和其他令人困惑的谜团。1993年,在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的地下深处,一辆公共汽车大小的油罐内出现了几道亮光,由此开启了一个引人入胜的探索故事。只不过,这个故事至今尚无定论。

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  许多中微子物理学家觉得自己就像在迷宫中前行,不确定要往哪里走,也不知道哪条线索可能会把他们引入歧途

当时,科学家正利用液体闪烁体中微子探测器(LSND)来寻找由中微子产生的辐射爆发。在所有已知的基本粒子中,中微子是最轻也最难以捉摸的。该实验的领导者之一比尔·路易斯说:“我们看到了想要看到的结果,但这也让我们十分惊讶。”

问题是,他们看到的实在太多了。理论物理学家假设,中微子在飞行过程中可能会在不同类型——称为不同的“味”——之间振荡。这一假设解释了目前的许多天文观测结果。LSND对该假设进行了检验,将一束μ中微子(已知三种中微子之一)对准油罐,计算到达油罐里的电中微子的数量。然而,路易斯的团队检测到的电中微子数量要比中微子振荡理论所预测的多得多。

此后,研究人员又设计了数十个中微子实验,每个实验的规模都比上一个更大。在山脉内部、废弃的采矿洞穴和南极的冰层之下,物理学家们为这些以神秘著称的粒子建起了一座座宏伟的实验设施。然而,当这些实验从各个角度对中微子进行探测时,却不断得出相互矛盾的粒子行为图像。“情况越来越复杂了,”路易斯说道。

“这是一个非常令人困惑的故事。我愿称之为‘小径分岔的花园’,”哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿奎勒斯-德尔加多说道。在阿根廷著名作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯 1941年的同名短篇小说中,时间分叉出了无限可能的未来。对于中微子,相互矛盾的结果让理论物理学家感到困惑,他们不确定哪些数据值得信任,哪些数据可能会让他们误入歧途。阿奎勒斯-德尔加多说:“就像任何侦探小说一样,有时你在看到线索后,它们会将你引向错误的方向。”

1993年,洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器报告了大量中微子的探测结果,这令人十分困惑。照片中,工程师里克·博尔顿身处光电倍增管之中,一旦罐体中装满矿物油,这些光电倍增管就能探测到罐内中微子相互作用发出的光

  1993年,洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器报告了大量中微子的探测结果,这令人十分困惑。照片中,工程师里克·博尔顿身处光电倍增管之中,一旦罐体中装满矿物油,这些光电倍增管就能探测到罐内中微子相互作用发出的光

对LSND异常现象最简单的解释是,可能存在一种新的中微子,即第四种中微子——惰性中微子。根据新的规则,惰性中微子可以混合所有的中微子类型。它们会让μ中微子在距离油罐较短的距离内更容易振荡成电中微子。

然而,随着时间的推移,研究人员发现惰性中微子的解释与其他实验的结果并不相符。“我们找到了一个冠军理论,但问题是,它在其他地方惨遭失败,”阿奎勒斯-德尔加多说,“我们走进了森林深处,现在需要走出来。”

物理学家被迫追溯之前的实验结果;他们一直在反复思考,试图了解混乱的暗示和不完整的结果背后是什么。近年来,他们设计出了比惰性中微子更为复杂的新理论,但如果这些理论是正确的,那物理学将彻底改变——同时解决中微子振荡数据异常和其他物理学重大谜团。尤其重要的是,新模型假定额外的较重中微子可以解释暗物质。目前,我们还没有观测到隐藏在星系之中的暗物质。据估计,暗物质在宇宙构成中所占的比例是常规物质的4倍以上。

近日,位于美国芝加哥附近的费米国家加速器实验室公布了MicroBooNE实验的4项分析结果。根据这些结果,再结合南极冰立方中微子天文台(IceCube)的最新研究结果,科学家们认为,这些更复杂的中微子理论可能是正确的,虽然论证它们还需要很多努力。

阿奎勒斯-德尔加多表示,情况隐约已经有了变化,新的发现可能即将到来。

2002年时,物理学家珍妮特·康拉德(现任职于麻省理工学院)拿着一个MiniBooNE实验中所用的探测器。她参与建造并领导了MiniBooNE实验

  2002年时,物理学家珍妮特·康拉德(现任职于麻省理工学院)拿着一个MiniBooNE实验中所用的探测器。她参与建造并领导了MiniBooNE实验

绝望的补救

1930年,沃尔夫冈·泡利提出了中微子假说,用来解释在放射性衰变过程中的能量消失。当时,他甚至将该假说称为“绝望的补救”。这些假想粒子既没有质量,也没有电荷,这使泡利怀疑是否能用实验来检测到它们。“这是任何理论家都不应该做的事情,”泡利在日记中如此写道。但在1956年,在一个与LSND类似的实验中,中微子的存在得到了证实。

然而,当物理学家对来自太阳的中微子(太阳是这种粒子的自然来源之一)进行检测,发现其数量不到恒星核反应理论模型预测的一半时,情况很快就陷入了混乱。到了20世纪90年代,中微子的古怪行为变得日益明显。不仅太阳中微子看起来神秘地消失了,当宇宙射线与上层大气碰撞时,落到地球上的中微子也消失了。

早些时候,意大利物理学家布鲁诺·庞蒂科夫提出了一个解决方案,认为中微子能够改变型态。与许多基本粒子一样,中微子有三种类型:电中微子、μ中微子和τ中微子。因此,庞蒂科夫认为,中微子在移动过程中可能会在这些类型之间变换,而不是消失。例如,太阳产生的一些电中微子可能会变成μ中微子,看起来就像消失了一样。随着时间的推移,理论物理学家们开始着重描述中微子如何根据能量和传播距离在不同类型之间的振荡,从而与来自太阳和宇宙的数据相匹配。

然而,中微子型态变换的概念让许多物理学家难以接受。只有当这三种中微子各自都是三种不同质量的量子力学混合物时,在数学上才能行得通;换句话说,型态变换意味着中微子必须具有质量。但粒子物理学的标准模型——描述已知基本粒子和力的方程组,已经得到许多验证——明确地认为中微子没有质量。

太阳和大气都很复杂,因此LSND实验特别选择了另一个中微子源,来寻找中微子型态变换的更明确证据。研究人员很快取得了进展。“我们差不多每个星期都会发现一个可能的证据,”路易斯说道。1995年,《纽约时报》在头版刊登了一篇报道,讲述了该实验如何搜寻发生型态变换的中微子。

LSND实验的批评者指出,探测器可能会带来误差,自然界的中微子源也可能产生干扰。即使是那些支持中微子振荡观点的科学家,也不相信LSND的数据,因为推断出来的振荡速率超过了太阳中微子和大气中微子所暗示的速率。太阳和大气的数据表明,中微子只在三种已知的“味”之间振荡;如果加上第四种中微子——惰性中微子——的话,就更符合LSND的数据。惰性中微子的得名,是因为它们不与引力以外的基本力发生相互作用,从而无法被检测到。

在20世纪90年代末和21世纪初,一系列中微子振荡实验——萨德伯里中微子观测站(SNO)、超级神冈探测器(Super-K)和KamLAND——的结果都支持三中微子振荡模型,一些参与实验的研究人员因此获得了诺贝尔奖。另一方面,假想的第四种中微子依然覆盖着一层神秘的面纱。

哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿奎勒斯-德尔加多设计了一些新的理论,试图解释错综复杂的中微子测量数据

  哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿奎勒斯-德尔加多设计了一些新的理论,试图解释错综复杂的中微子测量数据

追逐异常者

异常现象经常在实验中突然出现,然后在进一步的研究中消失,因此许多研究人员一开始会忽略它们。不过,麻省理工学院的珍妮特·康拉德教授却是一位“骄傲的追逐异常者”,十分重视各种异常的现象。她说:“我们并不介意混乱。事实上,我们很喜欢。”

当康拉德在1993年完成博士学位时,大多数粒子物理学家都在研究对撞机,试图通过粒子的撞击,在碎片中发现出新的粒子。一些美丽的、无所不包的理论,比如超对称理论,预言了标准模型中所有的粒子都有一整套镜像粒子;但对于微妙的中微子振荡而言,情况却截然不同。尽管如此,康拉德还是对LSND实验的结果产生了兴趣,并决定继续研究下去。“我想要大自然和我对话;我不想告诉大自然该怎么做,”她说道。

20世纪90年代末,康拉德和同样热衷于异常现象的同事来到LSND探测器内部,小心翼翼地抽出超过1000个琥珀色传感器,抹掉黏稠的油之后,将它们安装在一个新的中微子探测器上。这个新探测器有三层楼高,位于费米实验室,被他们“MiniBooNE”。“我们有瑜伽垫,可以让你躺在脚手架上往上看,”康拉德说,“这就像一个由琥珀色月亮组成的宇宙。哇,真是太美了。”

这个LSND实验增强版收集了从2002年到2019年的数据。经过长达五年的运行,MiniBooNE实验开始观察到类似的异常中微子振荡率,表明LSND的结果并非偶然,而且可能存在一种超轻的中微子。

在MiniBooNE实验进行的同时,其他中微子实验也开始了。这些实验各自探索了不同的中微子传播距离和能量,以了解这是如何影响它们的形状变化的。他们的结果似乎证实了三中微子模型,这不仅与LSND相矛盾,现在也与MiniBooNE相矛盾。

冰立方中微子探测器发现了穿过南极表面冰层的高能中微子。在图中的地面实验室中,科学家安装了收集原始数据的计算机

  冰立方中微子探测器发现了穿过南极表面冰层的高能中微子。在图中的地面实验室中,科学家安装了收集原始数据的计算机

惰性中微子的“死亡”

追逐异常者已经来到了一个岔路口,而路标指向了相反的方向。支持存在三种中微子的证据超过了支持存在四种中微子的证据。紧接着,普朗克空间望远镜给了惰性中微子假说另一个打击。

2013年,普朗克空间望远镜探测到了来自所谓宇宙微波背景的微弱辐射,为大爆炸后不久的宇宙拍下了一张令人难以置信的详细照片。对宇宙微波背景辐射的详细描绘使宇宙学家得以深入检验他们关于早期宇宙的理论。

在早期宇宙中,中微子非常活跃,因此强烈地影响着宇宙膨胀的速率。通过普朗克空间望远镜探测到的宇宙微波背景数据,研究人员推算出了宇宙的膨胀速率,进而估算出年轻宇宙中充斥的中微子有多少种类。数据显示,当时的中微子有三种。欧洲核子研究中心(CERN)的理论物理学家约阿希姆·柯普表示,这一发现与其他宇宙学观测结果“相当肯定地排除了第四种中微子的存在”——至少是排除了理论物理学家们曾考虑过的惰性中微子。

到2018年,所有人都认为这件事已成定局。在德国海德堡的一次中微子物理会议上,米歇尔·马尔托尼站在一个宏伟的礼堂中宣布了惰性中微子的“死亡”。阿奎勒斯·德尔加多回忆道:“他说,‘如果你不知道一切都结束了,那你现在应该知道。’”

马尔托尼的演讲给中微子理论家们敲响了警钟,他们需要一些新的想法。“前进的道路走不通了,”阿奎勒斯-德尔加多又说回了博尔赫斯的比喻,“那现在我们该该往哪里走呢?”

他和同行们开始重新审视惰性中微子理论的基础假设。“在物理学中,我们总是会用到这样的奥卡姆剃刀方法,对吧?我们从最简单的假设开始,在这里就是一种新粒子,但除了振荡行为之外什么都不做,”他说,“这可能是一个愚蠢的假设。”

暗区

过去三年中,中微子物理学家们正越来越多地考虑增加多个中微子的可能性,这些中微子可能通过它们自身的神秘力量相互作用。这个由不可见粒子组成的“暗区”(dark sector)可能有着复杂的相互关系,类似(但独立于)电子、夸克和其他标准模型粒子的相互关系。加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家马修斯·霍斯特说:“这片暗区非常丰富和复杂,这是完全有可能的。”

在模型中加入神秘的力可以抑制早期宇宙中产生的中微子数量,从而避免普朗克望远镜的观测结果所提出的挑战。与此同时,一个具有如此多特征的暗区,也可以填补我们理解中的许多漏洞。自从20世纪90年代发现中微子具有质量以来,理论物理学家们一直在想,中微子是否可以解释暗物质——这种不可见的物质似乎充满了各个星系。他们很快得出结论,三种已知的中微子都不具有足够的质量,但如果存在一个更大的中微子家族——包括一些较重的中微子——那或许就能用来解释暗物质。

一个无形但丰富的暗区?这样的想法并不新鲜,但在这些模型中,中微子的种类数量却变得越来越多。这项研究将暗物质和中微子异常的不同问题放到了同一个范畴之内。阿奎勒斯-德尔加多说:“这是一种趋同。”

一个丰富、复杂的暗区有助于解释为什么今天的宇宙似乎膨胀得比预期的更快——这种现象被称为“哈勃张力”——以及如果暗物质由单一的惰性粒子组成的话,为什么星系的聚集程度没有预想的那么高。美国普林斯顿大学的天体物理学家克里斯蒂娜·克瑞施说:“改变暗物质的物理性质,的确会对这样的宇宙张力产生影响。”

这些模型与旧的观点产生了共鸣。例如,早在几十年前就有人提出假设,认为存在一些非常重的中微子,可以解释三种已知中微子的令人困惑的微小质量(在“跷跷板机制”中,已知的轻中微子和重中微子的质量可能呈反比关系)。大爆炸后重中微子的衰变被认为是今天宇宙中物质比反物质多得多的可能原因。“很多人,包括我自己在内,都在研究这种联系,”约阿希姆·柯普说道。

今年早些时候,阿奎勒斯-德尔加多、康拉德和几位合作者提出了一个暗区模型,包含了三种不同质量的重中微子。他们的研究结果很快就将发表在《物理评论D》(Physical Review D)上。该模型通过调和一种重中微子的衰变与一种轻中微子的振荡,解释了LSND和MiniBooNE的数据;与此同时,该模型也为解释中微子质量的起源、宇宙中物质-反物质的不对称,以及暗物质留下了空间。

追逐异常的研究者们在设计这个新模型时,考虑到了MiniBooNE实验的一个缺陷:它无法区分电中微子产生的信号和某些粒子衰变所产生的信号。这就引出了一种可能性:除了轻中微子会在不同类型之间振荡外,重中微子也可能在探测器的内部衰变,这就解释了探测器为什么会获得丰富的信号。

全新的实验结果支持了这一模型。费米实验室的MicroBooNE实验是MiniBooNE实验的后续,经过了重新配置以纠正缺陷。该实验的结果即将发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,表明惰性中微子本身并不能解释MiniBooNE的异常现象。实验结果可能暗示着这样一种可能性,即只有一半的MiniBooNE事件是由中微子振荡引起的。MicroBooNE团队最近的报告称,我们熟悉的标准模型粒子的衰变几乎肯定不能解释剩余的事件。MicroBooNE实验明年将开始下一个版本的实验,届时或许就能确定探测器内部暗区的重粒子衰变的可能性。

物理学家也在重新探索原先的道路,用现有数据检查他们的暗区模型。例如,冰立方实验团队自2016年以来发表了一系列声明——一次比一次有信心——宣称没有发现惰性中微子穿过冰层的迹象。冰立方是一个由5000个探测器组成的阵列,埋在南极冰层下数公里深处。不过,近期发布的一项分析发现,如果惰性中微子可以衰变为其他看不见的粒子,那么冰立方的数据实际上有利于它们的存在。该团队的完整分析报告尚未发表,但研究人员强调,在获得定论之前,有必要对这种可能性进行评估。

最后,综合所有中微子振荡实验的分析也发现了支持惰性中微子衰变的证据。

大胆断言存在大量隐形粒子需要大胆的证据,但并不是所有人都能被说服。德国慕尼黑大学的戈兰·森扬诺维奇说:“我一直在赌所有异常现象都不会发生。”作为中微子质量跷跷板模型的提出者之一,森扬诺维奇表示,我们不应该假设越来越多的粒子来解释实验中的意外结果,“最首要的”应当是以现有理论为指导,在高度成功的标准模型之外只做最小的改动。

但在“小径分岔的花园”中,追求极简主义和简洁性的假设往往是错误的。标准模型预测电中微子、μ中微子和τ中微子是无质量的,但后来的研究表明它们并不是。理论物理学家曾经认为,如果这些中微子具有质量,那它们一定有足够的质量来解释暗物质——但结果也是否定的。也许我们需要对标准模型进行更精细的扩展。康拉德等物理学家也强调,从异常现象中寻找线索能带来好处。

走出迷宫

现在的挑战是如何进入假想中的暗区。泡利曾感叹,提出不可探测的粒子是任何理论物理学家都不应该做的事情;但幸运的是,物理学家们或许能够通过三种熟悉的中微子“听到”黑暗世界的低语。“中微子本质上就是一种暗粒子,”美国纽约大学的粒子物理学家尼尔·韦纳说,“它有能力与其他暗粒子相互作用并混合,而在标准模型中,没有其他粒子能做到这一点。”

即将开始的新型中微子实验可能会打开通往暗区的大门。在MicroBooNE之后,费米实验室的SBND和ICARUS实验将很快启动,并在多个距离和能量上探测中微子振荡,帮助科学家更清晰地了解这些振荡的完整模式。与此同时,费米实验室的DUNE实验将具有更高的灵敏度,可能会探测到较重的暗区粒子。康拉德表示,在“静止衰变”实验中,仔细观察中微子从放射源(如锂-8)喷涌而出的过程,将为解释目前混乱的结果提供另一种观点。

冰立方中微子探测器也提供了一个不同寻常的有利位置。该实验能够探测到宇宙射线与地球大气层碰撞时产生的高能中微子。这些中微子可能会与冰立方内部的粒子相互作用发生散射,并变形为奇异的、质量较大的中微子——研究者怀疑这些中微子会在MiniBooNE内部衰变。马修斯·霍斯特表示,如果冰立方在一段距离之外看到了这种散射和重中微子衰变,这种“双重重击”的特征“将是一种新粒子存在的非常有力的证据”。

这些可能性使得暗区“不仅仅是一个睡前故事,”韦纳说道。然而,即使暗区存在,并且以常见的中微子作为媒介,也不能保证它们的联系足够强,能够揭示隐藏的东西。美国密歇根大学的物理学家乔希·斯皮茨说:“任何合理的实验都可能完全无法获得重中微子。”

当然,从LSND开始出现的每一次中微子异常都可能有平凡无奇的解释。“也许所有这些异常都出错了,也许只是非常不走运,它们看起来都彼此相关,”康拉德说,“那将是大自然极为残忍的表现。”

至于阿奎勒斯-德尔加多,他对最终走出迷宫持乐观态度。“科学是分阶段进行的,然后可能突然就中断了,”他说,“我在积累线索并继续追问。有些信息比其他信息更可靠;你必须自己判断。”(任天)

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