多国科学家合力阐述物理学未知领域

即使检测到少量的中微子，物理学家也需要像日本的超级神冈一样的巨型探测器。

照片来源:KAMIOKA OBSERVATORY

中微子是一种违反物理学家标准模型规则的粒子。根据理论，中微子没有质量。然而，事实是中微子有质量。从理论角度来看，它们是“无约束和无约束的”。

布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学的理论家帕特里克·哈贝尔说:“在中微子物理中，与标准模型有10%、20%或50%的偏差。”对于那些寻求新物理学的人来说，“中微子是一个值得研究的领域。”

中微子起源于一种核衰变形式，与其他物质的相互作用很弱。中微子有多种形式。1998年，物理学家在日本的一个矿井中使用超级神风号发现中微子有质量——尽管不到十亿分之一的电子。

但是根据爱因斯坦的相对论，中微子没有质量，必须以光速传播。在这种情况下，中微子的时间几乎停止，这些变化可以忽略。

关于中微子的各种“非理性”表现，美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的理论家安德烈·德·古韦阿说:“你可以肯定地说中微子是物理学中的一颗新星。”中微子有三种类型——电子、μ子和τ中子。它们可以在振动中从一种类型变成另一种类型。这种现象可以用六个参数来描述:质量的三个差异(决定了振荡的速度)和三个不同的混合角度(决定了从一种形式到另一种形式的差异)。在过去的18个月里，这一模式的关注点进一步缩小。

2012年3月，中国大亚湾反应堆中微子实验项目的物理学家测量了最后一个未知的混合角，发现它比许多人预期的要大。三个已知的混合角都大于零度，结果表明中微子和反中微子可以以不同的方式振荡——这种称为宇称不守恒的不对称性有助于解释为什么宇宙中物质远多于反物质。

伊利诺伊州巴达维亚费米实验室国家加速器实验室的罗伯特·普朗凯特说，大亚湾反应堆中微子实验表明，如果宇称不守恒确实存在，它可以相对容易地被观察到。"曾经被认为是非常困难的任务现在在我们的控制之下."他说。

今年3月，这种新模式吸引了更多的关注。宇宙学家利用欧洲航天局的普朗克宇宙飞船完成了他们的宇宙微波背景实验。这一分析探索了中微子形式的数量，并对第四种中微子的可能存在提出了质疑。德·古韦阿说:“目前，这三种类型的中微子被证实确实具有良好的相互作用。这个结果可能令人失望，但这是事实。”

物理学家计划进行一项比以往任何时候都大的实验:将中微子发射到距离地球数百公里的地方，让它们在飞行中改变形状。在美国，拟议中的长基线中微子实验将使用储存在南达科他州里德附近废弃的Homestake矿地下的巨型探测器来探测1300公里外费米实验室发出的中微子束。在日本，计划中的超级神冈实验将探测从295公里外发射的中微子，探测器大小是超级神冈的20倍。

物理学家希望通过采用一系列不同的测量方法，可以发现现有中微子模型之间的差异。纽约布鲁克海文国家实验室的物理学家玛丽·比沙伊说:“如果我们试图以不同的方式观察中微子振荡，会有惊喜吗？这三种形式的中微子模型会被分解吗？”

物理学家还想首先知道中微子是如何获得质量的。像标准模型中的其他粒子一样，中微子可以从希格斯场获得质量。或者，他们可以通过所谓的跷跷板机制获得质量。但是为了达到这个目标，中微子必须有一个特征:它们是自己的反粒子。

为了进一步证实这一猜想，物理学家正在使用地下探测器来发现一种新的核衰变类型，称为“无中微子双β衰变”，这种衰变只有在中微子是自反粒子时才会发生。到目前为止，还没有强有力的证据。

今年7月，意大利格兰萨索国家实验室的地下锗探测器阵列(GERDA)实验表明，先前声称的锗-76同位素是不真实的。如果衰变确实存在，许多研究人员怀疑需要更大(1吨或几吨重)的探测器进行观察。

尽管中微子物理“不遵循通常的路径”——与标准模型有所偏差，但它仍然是研究人员的一个热门研究领域。这些难以捉摸的粒子总是极具吸引力。(段鑫)

中国科学新闻(2013-09-09第三版国际版)