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科学家成功验证四十年前的中微子预言:开创全新未来

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据国外媒体报道,物理学家会对他们希望发生的事情大费唇舌,但这些事也许终其一生都不会发生。例如,一名物理学家认为在特定情况下,十分常见、但难以探测的中微子可以使整个原子核发生振荡。考虑到这一现象极难探测,他觉得光是提出这一想法就已经够傻了。但四十年后,科学家宣布,他们真的发现了这一现象。具体来说,科学家找到了一种测量“相干中微子核碰撞”(coherent)的新方法。


图为橡树岭国家实验室的SNS实验装置。


图为科勒拿着相干中微子核碰撞实验探测器模型。

早在上世纪70年代,一名物理学家就预言了中微子发生互动的可能性。一些人认为此次发现或许能帮助我们如科幻片一般利用中微子。其他人则表现得更为审慎。但有一点是肯定的:物理学家认为这是一次激动人心的发现。

“哇哦!!!!!!”伊利诺伊州费米实验室的物理学家胡安·埃斯特拉达(Juan Estrada)在邮件中表达了他的激动之情。他也在寻找这一效应,但并未参与此次研究。

根据物理法则,粒子有四种相互作用方式:引力、电磁力、强作用力和弱作用力。中微子是一种特殊的粒子,只能通过弱作用力和引力与其它粒子进行互动,而这两种力在地球上的实验室都很难进行探测。中子是原子核含有的两种粒子之一。中子的β衰变便是弱作用力的一种,在衰变为质子的同时释放出一个中微子和一个电子。

如今,科学家测量中微子的方法相当于“顺藤摸瓜”。如果一个中微子击中了质子,也许就会使β衰变反向进行,将质子转化为一个电子和一个中子。电子会发出闪光,从而被探测器捕获。但这种相互作用十分罕见,且需要耗费大量液体。

麻省理工学院理论物理学荣誉退休教授丹尼尔·弗里德曼(Daniel Freedman)是1974年预言中微子除了与质子互动外、还能发生另一种相互作用的科学家之一。他认为中微子可以与整个原子核产生相互作用。这个过程涉及的能量很少,因为中微子仅能产生极弱的推力。但由于原子核比质子大得多,这将远比与质子相撞常见。这样一来,便可以采用规模较小的探测器,只需不到50千吨水就能得到预期效果。

但弗里德曼指出:“我们的假设也许有些傲慢自大,因为中微子-原子核弹性散射实验中难免受到相互作用率、分辨率和研究背景的局限。”换句话说,他认为这种相互作用仍然太过微弱和罕见,因而难以探测。

四十年后,美国橡树岭国家实验室的一组物理学家证明,弗里德曼的预言其实是正确的。“这并非不可能。”卡瓦里太空物理研究所的物理学家胡安·科勒(Juan Collar)指出。

他们能取得预期观测结果,要归功于特殊的实验设计和好运气。橡树岭国家实验室开展了一项名为“散变中子源”(简称SNS)的实验。该实验在制造中子束的同时,还产生了大量中微子作为副产品。研究相干中微子核碰撞的科学家们正好利用了这一点。中子云可能会干扰信号,但该研究团队在20英尺(约合6米)的混凝土墙后的地下室中找到了一处合适的位置,足以挡住除中微子之外、SNS实验产生的任何粒子。“我们能找到这里真的非常幸运。”杜克大学物理学家、相干中微子核碰撞合作研究团队发言人凯特·舒伯格(Kate Scholberg)表示,“我本来担心会受到中子的影响,结果并不是这样。”

  

当中子束开启时,可以看出清晰的探测器信号(以黑点表示),说明该团队确实捕捉到了中微子与原子核的相互作用。


相干中微子核碰撞实验装置本质上是一块晶体,当中微子击中晶格时,通过弱作用力产生的相互作用使原子核发生振荡,释放出可以被探测到的微弱光线。中子束脉冲时强时弱,因此探测信号也随之上下起伏。“我们知道中微子何时会被发射过来,因为中子束恰好每秒钟只开启60次。”科勒解释道,“这对于我们非常重要。”

舒伯格指出,该实验不仅验证了40年前的预言,还为一些针对中微子行为的猜想给出了约束。科勒认为该研究最重要的影响在于,它为小型中微子实验开创了全新的未来。“也许50年后,我们真的发明了可行的中微子技术。”且这些技术可供公众使用,就像曾经显得高大上、如今已飞入寻常百姓家的激光发射器一样。

其他专家也激动不已。有些团队已经开始在自己的实验室中寻找同样的信号。“能发现这样一个所有人都相信存在、只是难以识别的现象,可谓一次巨大的成功。”夏威夷大学的物理学家约翰·格里高利·伦德(John Gregory Learned)指出。他尤其欣赏科勒所做的贡献。但他也呼吁人们对该技术的前景持更谨慎的态度,就目前而言,他认为该技术的应用途径相当有限。

弗里德曼也十分高兴。

“终于有人做了我在1974年提出的实验,”弗里德曼表示,“我当然激动得要命。”


 





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