天问专栏:撼动宇宙的小粒子——中微子

访客 宇宙探索 2018-03-13 0

天问专栏:撼动宇宙的小粒子——中微子

太阳不只赋予我们光,还发射了无数中微子,穿过我们的身体。图片来源:NASA

导读:

来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落,而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”,去给宇宙中微子们“称重”。

天问专栏第十六期,带你走进中微子称重现场。

撰文 | 刘 佳 (普林斯顿大学)

责编 | 吕浩然

知识分子为更好的智趣生活ID:The-Intellectual


一个静谧的午后,我正试图向妈妈解释什么是中微子。

“如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”

“700亿?!”听到这个数字,妈妈吓了一跳,赶紧把手揣回口袋。

可事实却是,妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用:一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒,“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦!”

“不过不用担心,”我告诉妈妈,“中微子是无害的。”

然而,这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

消失的能量——中微子的发现

我们目前知道的有四种力:引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部,所以我们平时都感受不到。除了引力,中微子只参与弱力(比强力弱非常非常多),它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙,也不撞上任何其它粒子!

也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应,很长一段时间,我们都不知道它的存在。

1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子(n p e)的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!

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这是怎么回事?物理学家们开始怀疑物理定律,觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日,在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利(Wolfgang E.Pauli,1900 - 1958)让朋友在会上宣读了一封他的信,建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说,中子衰变后,除了质子和电子,还有第三个粒子被制造出来。#p#分页标题#e#

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鲍利1930年来信原文,图片来源:CERN

在信的最后,鲍利解释自己为什么无法亲自出席会议,“因为我在瑞士苏黎世有个派对要去”——“噗,生活蛮惬意的嘛!”我心想。不过我猜也许他怕被大家炮轰,所以随便找个借口也不一定。

他在信里补充说,“我的建议实在不可信,如果真是这样的话,我们怎么还没观测到那个新粒子呢?”他后来也一直觉得这个猜测太离谱,根本就没有花时间把它写进论文里。倒是在1934年,费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)觉得这个想法不错,就把这颗新粒子加进了他的β衰变理论里,并取名为“中微子”(neutrino)–––来自意大利语,意为“中性的微小粒子”。

在鲍利猜想后的第26年,中微子终于在1956年被科温(Clyde Cowan,1919 - 1974)和莱因斯(Frederick Reines,1918 - 1998)等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器,发现从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用,发生β衰变并产生伽马射线和中子。鲍利在这次发现不久后去世,也算是幸运地在有生之年看到了中微子的成功探测。

太阳中微子谜题——中微子震荡

上世纪六十年代,问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克(Homestake)实验。当时也已经有了比较完善的标准太阳模型,可以通过计算太阳中心核聚变的速率,推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来[1]。

但是在地球上探测到的太阳中微子,却只有预测的三分之一。人们怀疑:不是太阳模型的理论错了,就是中微子实验出了毛病!不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了?

然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错,中微子探测实验结果也没错!问题出在中微子身上,它们比我们想象中的要更有趣!

“中微子振荡”解释了这个谜题的答案。中微子有三种“味”,分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。当然这里说的“味”不是味觉的“味”,而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”(也就是振荡)。

太阳内核只生产电子中微子,但是电子中微子在穿越真空来到地球的过程中会来回“变味”——有时是渺子中微子,有时是陶子中微子,有时变了一圈又回到电子中微子。所以当它们被地球上(只能探测到电子中微子)的探测器所捕获时,已经有2/3的电子中微子变成了另外的味。#p#分页标题#e#

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不停“变味”的中微子,图片来源:Johan Jarnestad/The Royao Swedish Academy of Sciences

加拿大位于地下2.1公里的萨德伯里中微子天文台(SNO)在直径12米的球型容器中装了1000吨重水,他们通过对中性流相互作用和电子弹性散射作用的分析,对所有三个味的中微子都有灵敏度。SNO最终探测到了和预期数量吻合的太阳中微子,证实了太阳中微子振荡。

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加拿大萨德伯里中微子天文台,图片来源:萨德伯里中微子天文台

同一时期,日本在富山县茂住矿山一个深达1公里的废弃砷矿里建造了超级神冈探测器(Super Kamiokande):在一个高为41米、直径39米的圆柱形大容器里装了5万吨高纯度水。他们的观测目标是地球大气层中产生的渺子中微子。通过对比头顶(振荡发生前)和脚底(振荡发生后,从地球另一端穿过来的)的渺子中微子数量,超级神冈实验成功证实了大气层的中微子振荡。

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日本的超级神冈探测器,在实验初期(1996年)往探测器内灌水。图片来源:东京大学

写到这里,也许你已经发现了,大部分的中微子探测器都是在很深的地下。为什么呢?这么做的原因是地球表面充斥着来自外太空的高能粒子“宇宙线”,可以产生类似中微子的信号。把探测器埋在地下,可以利用地球来屏蔽这些宇宙线,以降低噪音的干扰。(PS:请不要问我宇宙线是从哪里来的,我也不知道……不过有迹象显示宇宙线来自于银河系外的超级高能事件,比如超新星爆炸和活动星系核。)

“它也是有质量的!”

中微子振荡的发现,证明了中微子质量不为零。在相对论中,质量为零的粒子以光速运行,时间对它们来说是静止的,因此它们“不知道”时间的存在。而“振荡”的发生要求中微子“知道”时间流逝了多少,然后相对地去“变味”,进而证明了中微子质量必须不为零。

“中微子质量不为零”这个结论强迫我们去修正之前的粒子物理“标准模型”。“标准模型”描述了基本粒子的性质和相互作用,里面包括6个夸克、6个轻子、4个规范玻色子,还有1个希格斯玻色子。信不信由你——仅仅这17个粒子(以及它们的反粒子),就能精确地描述我们所在的这个世界!桌椅、花草、各种颜色的光芒、你自己和所有你爱的人,都是由这些粒子所组成!(不过,一个大大的“不过”,暗能量和暗物质暂时无法由它们描述,但这就要留到以后再讲了!)#p#分页标题#e#

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粒子物理标准模型,最后一行的绿色粒子为中微子,他们的质量目前未知。图片来源:维基百科

在最初的模型中,三个中微子都是质量为零。目前为止,我们虽然知道它们的质量不为零,但却不知道具体质量是什么。测量质量——听上去很简单的一件事(我妈:“放在秤上量一量就好了嘛!”),实际操作起来,却因为在实验室里中微子只通过弱力起作用而变得极端棘手——β衰变几乎是唯一的办法。

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验就是试图通过观测氚原子的β衰变来寻找答案。氚(3H,读作:chuān)又称超重氢,原子核由一个质子和两个中子组成,比普通的氢原子(氕,读作:piē)多出两个中子,其β衰变产生的电子拥有较小的能量,所以很适合实验目的。KATRIN将测量β衰变后的电子能谱。电子能谱终点与零质量曲线相比所缺少的能量,就是中微子的质量。为什么知道了能量就等于知道了质量?是爱因斯坦著名的质能方程(E=mc2,即能量=质量*光速平方)告诉我们的。

KATRIN的设想很美好,但是现实却很残酷——如果说中微子质量为1eV的话(保守的上限,实际可能还要更低),能进入最高的1eV能谱的,即“有用”的电子只占所有电子的2x10-13,也就是20万亿颗电子里才有一颗……无论如何,KATRIN实验正在进行中,让我们拭目以待吧!

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2006年11月25日,特殊制造的卡车正载着200吨重的KATRIN探测器,小心翼翼地穿过德国小镇符腾堡(Leopoldshafen),运往卡尔斯鲁厄科研中心。图片来源:卡尔斯鲁厄科研中心

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德国的卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验通过测量β衰变的电子能谱终点来限制中微子质量。左图为电子能谱,右图为能谱终点放大图,红线为零质量的预期,蓝线为质量为1eV的中微子。也可以理解为,灰色小三角显示的“失去的能量”就是被中微子的静止质量带走的。图片来源:KATRIN实验

宇宙中微子背景辐射

在宇宙大爆炸发生后的瞬间,整个宇宙像一碗超级热汤,各种粒子(包括中微子)不停地产生和泯灭。而当宇宙迅速膨胀,粒子密度骤然下降后,中微子再也撞不上其它(有电磁力和强力作用的)粒子了,于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟,中微子就停止了和其它粒子的弱力作用,从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射[2]。#p#分页标题#e#

你也许听说过另一种宇宙背景辐射,宇宙微波背景辐射,它和中微子背景辐射的原理类似,是与电子分离后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景来源于宇宙诞生后约38万年,远远晚于中微子背景。

今天,这些来自宇宙初期的中微子无处不在地填满了宇宙的各个角落,你的一杯水中就有几千个宇宙中微子。可惜的是,我们无法像探测太阳中微子一样探测这些宇宙中微子,因为它们的能量实在太弱了,根本就无法“撞”动我们探测器中的原子核[3]。

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宇宙中微子和其他来源的中微子能量对比,图片来源:Ulrich F. Katz and Christian Spiering(2012)

于是科学家们脑洞大开,试图用整个宇宙来做这些中微子的探测器。这次,我们利用的不是中微子的弱力作用,而是它们的引力作用。

我们今天看到的星空中的各种星系和星系团,是宇宙中物质引力作用的结果。而冷暗物质占了所有物质的85%,所以对宇宙的演变有决定性作用。冷暗物质不具有电磁力和强力,只通过引力相互作用(不过我们尚不知它们是否有弱力)。宇宙初期,物质分布只有微小的不均匀。在宇宙膨胀后,在冷暗物质的引力作用下,密度高的地方吸进越来越多的物质,密度低的地方则变得越来越空旷,于是这些不均匀慢慢变得越来越明显。宇宙中密度最高的地方便形成了我们所熟悉的星系和星系团。

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电脑模拟宇宙中物质分布的演变过程。左上角为134亿年前的远古宇宙,右下角为今天的宇宙。图片来源:Andrey Kravtsov and Anatoly Klypin

作为“热暗物质”,宇宙中微子可不像冷暗物质那么乖乖地就往高密度的地方走。由于它们产生于宇宙初期极端高温时期(约300亿摄氏度!),宇宙中微子拥有非常高的动能,所以即使路过高密度区域,仍然可以轻而易举地逃逸掉。冷暗物质就像我们和周围大部分的家具一样,因为没有什么初始速度,便牢牢地被地心引力绑在地面上。而宇宙中微子就好像马斯克的特斯拉轿车一样,凭借着猎鹰重型火箭的强大推动力,逃脱地心引力,冲向太空。

下面的对比图显示了1.9eV中微子(左图)和零质量中微子(右图)的两个宇宙中,可见物质的分布[4]。红色是高密度区域,蓝色是低密度区域。非零质量中微子的存在,仿佛在宇宙的“国画”上泼了一层墨,把细线都晕开了。也正是对宇宙中这些大尺度结构的观测,让我们有可能去限制中微子的具体质量。#p#分页标题#e#

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电脑模拟宇宙中可见物质的分布。左图假设宇宙中微子质量为1.9eV,右图则假设宇宙中微子质量为零。图片来源:Shankar Agarwal and Hume A. Feldman(2011)

事实上,普朗克太空望远镜的科学家们已经通过宇宙学的数据,在2016年得出了0.23eV的中微子质量上限[5],这离来自粒子物理实验的质量下限0.06eV已经不远了。

我从去年开始对宇宙中微子产生兴趣——感叹中微子质量如此之轻,却撼动了整个宇宙。我和同事们花了一年时间把中微子加入我们的宇宙模拟中。用超过两百万的核小时运算时间(相当于用笔记本电脑算上两百年),最后,我们记录了100个不同质量的中微子对宇宙结构演变的影响[6]。

测量中微子的质量,不仅仅是给粒子物理标准模型填补空白那么简单。中微子和其它的费米子相比,质量微小得有些诡异,电子(中微子以外最轻的费米子)的质量至少是中微子的百万倍。如果中微子也和其它的粒子一样,都是通过希格斯玻色子获得质量,为什么它的质量会如此微小?难道它们的质量是通过其它的物理机制获得的?对于中微子质量的准确测量,将帮助我们回答这些问题,甚至给粒子物理的未来发展指明方向。

作者简介

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刘佳,广东商学院工商管理学士(2006),美国哥伦比亚大学天体物理博士(2016),现为美国普林斯顿大学天体物理系博士后。研究领域为宇宙学模拟和数据分析。刘佳在研究之余喜欢在自己的公众号“丹麦洗衣房”(danishlaundromat)里记录科研和生活的小体会。

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