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奇异的中微子将很难被发现

更新时间:2020-07-21 20:01点击:

一个追踪“新物理”中微子的国际小组已经根据理论学家提出的标准模型扩展,核对了所有与中微子探测相关的实验数据。最新的分析,第一次有如此全面的报道,显示了右撇子寻找者面临的挑战的规模,但也带来了希望的火花。

在所有被观察到的涉及中微子的过程中,这些粒子都表现出一种被物理学家称为左撇子的特征。作为标准模型最自然的延伸,右撇子却不见踪影。为什么?包括克拉科夫的波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)在内的一个国际物理学家小组最近进行的一项极其全面的分析有助于回答这个问题。这是第一次,所有直接或间接用于探测中微子的相关实验的数据都被包括进来,并对照标准模型的各种理论扩展所施加的参数范围进行检验。

第一个亚原子粒子,电子,在120多年前被观测到。从那以后,物理学家们发现了大量的粒子。自然界建筑砖的丰饶可以用以下假设来解释:世界由六种类型的大质量夸克和更小的轻子组成,它们也有六种类型。轻子包括电子、介子(重207倍电子质量)、tau(重3477倍电子质量)和相应的三种中微子。

中微子与其他物质的相互作用极其微弱。它们还显示出对现代物理学的形状特别重要的其他特征。最近发现,这些粒子会振荡,也就是说,它们不断地从一种类型转变为另一种类型。这种现象意味着观测到的中微子必须有一定的质量(尽管非常低)。与此同时,标准模型,一个精确描述亚原子粒子的现代理论工具,没有留下任何选择:在它的框架内,中微子不可能有任何质量!理论和经验之间的矛盾是支持未知亚原子粒子存在的最强烈的迹象之一。然而,中微子的质量并不是它们唯一令人费解的特性。

“我们通过观察各种粒子的衰变产物,并将我们所记录的与理论预测的进行比较,来了解中微子的存在。结果表明,在所有表明中微子存在的情况下,这些粒子总是具有相同的螺旋度:1/2,也就是说,它们是左撇子。这很有趣,因为其他物质粒子可以同时具有正自旋和负自旋。但是却看不到右撇子!如果它们不存在,那为什么不呢?如果他们这样做了,他们躲在哪里呢?”

一个国际物理学家团队刚刚在《欧洲物理杂志C》上发表的一篇文章让我们更接近回答上述问题。科学家们“锅,欧洲核Research-CERN组织大学catholique de鲁汶(Louvain-la-Neuve、比利时),莫纳什大学(澳大利亚墨尔本),慕尼黑技术大学(德国)和大学阿姆斯特丹(荷兰))进行了迄今为止最准确的分析数据的收集在一打亚原子物理学中最复杂的实验,一般性质的和直接致力于观测中微子的(包括PIENU, PS-191, CHARM, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS)。

研究人员并没有仅仅局限于增加实验数量和处理的数据量。在他们的分析中,他们考虑了理论家提出的假设过程的可能性,即需要存在右撇子。其中之一是与马略拉纳岛中微子有关的跷跷板机制。

1937年,埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)假设了一种物质粒子的存在,这种物质粒子本身就是反粒子。这样的粒子不可能带有电荷。因为除了中微子,所有的物质粒子都带电荷,所以新粒子可以是中微子。

该理论表明,如果马乔拉纳中微子存在,也可能存在一个跷跷板机制。这就意味着,当具有单螺旋态的中微子质量不是很大时,具有相反螺旋态的中微子质量一定非常大。所以,如果我们左手性的中微子质量很低,如果它们是马乔拉纳中微子,在右手性的情况下,它们的质量一定很大。这就解释了为什么我们还没有看到它们,”Chrzaszcz博士说,并补充说,大量的右撇子中微子是暗物质的候选者之一。

使用专门的开放源码GAMBIT包进行的最新分析考虑了各种理论机制提供的所有当前可用的实验数据和参数范围。从数字上看,这是极其繁重的。跷跷板机制本身意味着计算必须使用浮点数而不是双精度的,而是四倍精度的。最终,数据量达到了60tb。该分析必须在速度最快的波兰计算集群Prometheus中进行,该集群由AGH科技大学的学术计算机中心Cyfronet管理。

波兰方面由波兰科学基金会和国家学术交流机构资助的分析结果并没有让人感到乐观。结果表明,尽管进行了大量的实验,收集了大量的数据,但对可能的参数空间的渗透程度很小。

“我们可能会在即将开始的实验中发现右撇子。然而,如果我们运气不好,而且右旋中微子藏在参数空间的最深处,我们可能要等上100年才能发现它们。

幸运的是,也有希望的影子。在数据中捕捉到可能与右撇子有关的潜在信号的踪迹。在这个阶段,它非常弱,最终可能只是统计上的波动。但如果不是,会发生什么呢?

在这种情况下,一切都表明,在LHC的继任者,即未来的圆形对撞机中,已经有可能观测到右撇子中微子。然而,FCC也有一定的缺点:它将在获得批准后20年左右开始运作,最好的情况是明年才开始。如果不能,在我们看到右撇子之前,我们必须要有极大的耐心。”