中微子衰變：物理學家探索宇宙“最慢事件”

1、中微子衰變：物理學家探究宇宙“最慢事件據國外媒體報道，宇宙中最“慢的概念是什么呢？斯坦福物理學家給出了自己所認為的“最慢的事件。得益于美國EXO探究實驗得出的數據，有一種神秘的粒子活動從137.5億年前的宇宙大爆炸開場到如今，該試驗名稱縮寫為“2nubb。其代表的是兩個中微子雙衰變，這種衰變只存在于理論之中，是放射性元素在某種形式下具有的特性。在兩個中微子雙衰變類型中，兩個中子，中性亞原子粒子處于一個原子核中，這時候就是自發(fā)地衰變?yōu)閮蓚€質子，兩個電子和兩個反中微子，而兩個反中微子，在物理學家眼中可認為是微小的“反物質雙胞胎，而且?guī)缀鯖]有質量，是一種非常神秘的粒子。就在幾天前，EXO中微子雙衰變

2、研究小組的科學家們在德國慕尼黑舉行的會議上宣布：根據他們的測量結果，通過對Xe-136元素兩個中微子雙衰變的研究，發(fā)現其半衰期在2.11乘以10的21次方年，而Xe-136元素那么是氙的同位素。而10的21次方年是一個什么樣的概念呢？研究小組的物理學家解釋說：其就相當于是如今宇宙年齡的一千億倍。換句話說，宇宙的年齡還不如這個放射性同位素樣品通過兩個中微子雙衰變途徑所對應的半衰期的一個零頭。斯坦福大學的物理學家喬治格拉塔Giorgio Gratta，他同時也是加州門洛帕克市斯坦福直線粒子加速器中心SLAC卡夫利研究所粒子天體物理和宇宙學研究小組的成員，格拉塔認為：這是我們在過去的測量研究中，所發(fā)

3、現的最慢的標準模型。而標準模型就是科學家建立物質構造模型最好的說明方式，可以解釋前文中，電子、質子和中子結合在一起，以及為什么兩個中微子雙衰變會處于首要地位。在兩個中微子雙衰變探究實驗中，科學家搜集了七個光電二極管，通過大量的傳感器來檢測兩中微子雙衰變，并推測其中還包含著其他的衰變。對此，物理學家喬治格拉塔同時也認為：兩中微子雙衰變是非常符合于標準模型之中，所以從這個意義上出發(fā)，這個觀測的方法并不令人感到意外。而實際上，這種形式的衰變，我們之前在其他元素上已經觀察到。即便如此，斯坦福大學物理學家研究小組的結論意味著這個發(fā)現比任何一個吉尼斯世界紀錄都來得更有價值。EXO 200探測器是第一個捕捉

4、到Xe-136元素發(fā)生的兩中微子雙衰變過程，而這個衰變的檢測結果是基于一個“非常干凈的數據背景，科學家在得出這組數據前，排除了背景噪音的干擾，產生的穩(wěn)定的信號，為理論物理學家提供了珍貴的數據源，使他們能解決之前在計算和實驗結果之間產生的驚人費解的差異性。但是，關于Xe-136元素兩中微子雙衰變的實驗還遠未完畢，我們目前獲得的僅僅是早期的結果。而EXO 200檢測研究小組還希望能找到另一個衰變的過程，這個衰變比兩中微子雙衰變還要來得“空想，因為這個衰變僅僅是理論上的，沒有人可以確定其是存在的，這就是被稱為“零中微子雙衰變，也可以稱為“無中微子雙衰變，即0nubb。科學家通過對該衰變的研究，可以測

5、量中微子的質量，而且我們如今還沒有這種衰變所對應的標準模型。所謂的“零中微子雙衰變，在粒子物理上定義為兩個中子再次衰變成兩個質子和兩個電子，在這個過程中，反中微子照舊是無處可尋的，但是，它們卻必須一直存在著。這是因為，必須有兩個反中微子進展互相湮滅，這就像正電子和電子可以發(fā)生互相湮滅一樣，或者質子和反質子發(fā)生互相湮滅，這個現象會發(fā)生在任何一種粒子和它所對應的反粒子相遇的情況下。換句話說，宇宙中為了發(fā)生“零中微子雙衰變 0nubb，中微子就必須擁有它們各自所對應的反粒子。這聽起來似乎有點兒奇怪，有點兒像反證法，從結論反推到條件。目前的粒子物理學中認為，一個粒子都有存在其本身和反粒子的可能性，這個

6、結論是由意大利理論粒子物理學家埃托雷馬約拉納Ettore Majorana于1937年所做的推測。埃托雷馬約拉納在中微子質量上做了突出研究奉獻，并提出了馬約拉納方程式。根據埃托雷馬約拉納方法所推測出的粒子被稱為馬約拉納粒子，而假如這個粒子被發(fā)現是存在的，那么物理學家就應該忙著去修改他們的標準模型了。物理學家喬治格拉塔對此解釋說：“零中微子雙衰變過程，我們一直試圖在尋找它，而且這個研究進展了很長一段時間。而在斯坦福直線粒子加速器中心SLAC卡夫利研究所與EXO研究小組的眼中，“零中微子雙衰變確實是一個大問題。同時供職于這個兩個科研團隊的科學家馬蒂布雷登巴赫Marty Breidenbach認為:

7、 EXO200研究小組所進展的試驗正在朝這個方向努力，而如何發(fā)現這個衰變過程，其中還蘊藏著一個哲學道理，即一個物理過程幾乎不可能發(fā)生是由于這個過程的稀有性，而一個物理過程不可能發(fā)生是由于它的不存在性，所以，“零中微子雙衰變的答案就在這個兩個選項中產生。斯坦福研究小組目前的策略是給“零中微子雙衰變提供更多的發(fā)生時機，假如是一個極小的概率事件，在龐大的試驗樣本前提下，也會進步它的發(fā)生概率?？茖W家在一個充滿200千克液態(tài)氙的檢測室中，細心地照料著試驗對象，即使氙不斷地富集，直到到達80%的Xe-136雙衰變同位素程度。研究小組為了能清楚地檢測到“零中微子雙衰變，甚至“兩中微子雙衰變的過程，不得不削減每個放射源。而整套試驗裝置那么是由超純潔，無放射性材料制成，并且在斯坦福大學裝配運輸的途中只能進展卡車運輸，不能進展空運，這是因為飛行會暴露在更多的宇宙射線下。最終運輸到新墨西哥州卡爾斯巴德附近的奇瓦瓦沙漠試驗場，該裝置將被安裝在半英里深的鹽層地下，廢物隔離試驗工廠中，該處那么是由美國能源部用于處理核廢料的儲存庫。這樣。核廢料存儲庫的鹽層就會帶有核廢料的放射性，儲存庫外就會帶有宇宙射線以及衰變的痕跡，就可以通過EXO200檢測器探測到?？茖W家檢查初步的低背景結果顯示，EXO200還是處于工作狀