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2017年9月18日星期一

科學家成功驗證四十年前的中微子預言:開創全新未來

據國外媒體報道,物理學家會對他們希望發生的事情大費唇舌,但這些事也許終其一生都不會發生。例如,一名物理學家認為在特定情況下,十分常見、但難以探測的中微子可以使整個原子核發生振蕩。考慮到這一現象極難探測,他覺得光是提出這一想法就已經夠傻了。但四十年後,科學家宣布,他們真的發現了這一現象。具體來說,科學家找到了一種測量"相幹中微子核碰撞"(coherent)的新方法。


圖為橡樹嶺國家實驗室的SNS實驗裝置。


圖為科勒拿著相幹中微子核碰撞實驗探測器模型。

早在上世紀70年代,一名物理學家就預言了中微子發生互動的可能性。一些人認為此次發現或許能幫助我們如科幻片一般利用中微子。其他人則表現得更為審慎。但有一點是肯定的:物理學家認為這是一次激動人心的發現。

"哇哦!!!!!!"伊利諾伊州費米實驗室的物理學家胡安·埃斯特拉達(Juan Estrada)在郵件中表達了他的激動之情。他也在尋找這一效應,但並未參與此次研究。

根據物理法則,粒子有四種相互作用方式:引力、電磁力、強作用力和弱作用力。中微子是一種特殊的粒子,隻能通過弱作用力和引力與其它粒子進行互動,而這兩種力在地球上的實驗室都很難進行探測。中子是原子核含有的兩種粒子之一。中子的β衰變便是弱作用力的一種,在衰變為質子的同時釋放出一個中微子和一個電子。

如今,科學家測量中微子的方法相當於"順藤摸瓜"。如果一個中微子擊中了質子,也許就會使β衰變反向進行,將質子轉化為一個電子和一個中子。電子會發出閃光,從而被探測器捕獲。但這種相互作用十分罕見,且需要耗費大量液體。

麻省理工學院理論物理學榮譽退休教授丹尼爾·弗裏德曼(Daniel Freedman)是1974年預言中微子除了與質子互動外、還能發生另一種相互作用的科學家之一。他認為中微子可以與整個原子核產生相互作用。這個過程涉及的能量很少,因為中微子僅能產生極弱的推力。但由於原子核比質子大得多,這將遠比與質子相撞常見。這樣一來,便可以采用規模較小的探測器,隻需不到50千噸水就能得到預期效果。

但弗裏德曼指出:"我們的假設也許有些傲慢自大,因為中微子-原子核彈性散射實驗中難免受到相互作用率、分辨率和研究背景的局限。"換句話說,他認為這種相互作用仍然太過微弱和罕見,因而難以探測。

四十年後,美國橡樹嶺國家實驗室的一組物理學家證明,弗裏德曼的預言其實是正確的。"這並非不可能。"卡瓦裏太空物理研究所的物理學家胡安·科勒(Juan Collar)指出。

他們能取得預期觀測結果,要歸功於特殊的實驗設計和好運氣。橡樹嶺國家實驗室開展了一項名為"散變中子源"(簡稱SNS)的實驗。該實驗在製造中子束的同時,還產生了大量中微子作為副產品。研究相幹中微子核碰撞的科學家們正好利用了這一點。中子雲可能會幹擾信號,但該研究團隊在20英尺(約合6米)的混凝土牆後的地下室中找到了一處合適的位置,足以擋住除中微子之外、SNS實驗產生的任何粒子。"我們能找到這裏真的非常幸運。"杜克大學物理學家、相幹中微子核碰撞合作研究團隊發言人凱特·舒伯格(Kate Scholberg)表示,"我本來擔心會受到中子的影響,結果並不是這樣。"

  

當中子束開啟時,可以看出清晰的探測器信號(以黑點表示),說明該團隊確實捕捉到了中微子與原子核的相互作用。


相幹中微子核碰撞實驗裝置本質上是一塊晶體,當中微子擊中晶格時,通過弱作用力產生的相互作用使原子核發生振蕩,釋放出可以被探測到的微弱光線。中子束脈衝時強時弱,因此探測信號也隨之上下起伏。"我們知道中微子何時會被發射過來,因為中子束恰好每秒鍾隻開啟60次。"科勒解釋道,"這對於我們非常重要。"

舒伯格指出,該實驗不僅驗證了40年前的預言,還為一些針對中微子行為的猜想給出了約束。科勒認為該研究最重要的影響在於,它為小型中微子實驗開創了全新的未來。"也許50年後,我們真的發明了可行的中微子技術。"且這些技術可供公眾使用,就像曾經顯得高大上、如今已飛入尋常百姓家的激光發射器一樣。

其他專家也激動不已。有些團隊已經開始在自己的實驗室中尋找同樣的信號。"能發現這樣一個所有人都相信存在、隻是難以識別的現象,可謂一次巨大的成功。"夏威夷大學的物理學家約翰·格裏高利·倫德(John Gregory Learned)指出。他尤其欣賞科勒所做的貢獻。但他也呼籲人們對該技術的前景持更謹慎的態度,就目前而言,他認為該技術的應用途徑相當有限。

弗裏德曼也十分高興。

"終於有人做了我在1974年提出的實驗,"弗裏德曼表示,"我當然激動得要命。"

科學家成功驗證四十年前的中微子預言:開創 …科學家成功驗證四十年前的中微子預言:開創全新未來

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2017-4-19
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