中微子衰變：物理學(xué)家探索宇宙“最慢事件”

1、中微子衰變：物理學(xué)家探究宇宙“最慢事件據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，宇宙中最“慢的概念是什么呢？斯坦福物理學(xué)家給出了自己所認(rèn)為的“最慢的事件。得益于美國(guó)EXO探究實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，有一種神秘的粒子活動(dòng)從137.5億年前的宇宙大爆炸開場(chǎng)到如今，該試驗(yàn)名稱縮寫為“2nubb。其代表的是兩個(gè)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(gè)中微子雙衰變類型中，兩個(gè)中子，中性亞原子粒子處于一個(gè)原子核中，這時(shí)候就是自發(fā)地衰變?yōu)閮蓚€(gè)質(zhì)子，兩個(gè)電子和兩個(gè)反中微子，而兩個(gè)反中微子，在物理學(xué)家眼中可認(rèn)為是微小的“反物質(zhì)雙胞胎，而且?guī)缀鯖]有質(zhì)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(xué)家們?cè)诘聡?guó)慕尼黑舉行的會(huì)議上宣布：根據(jù)他們的測(cè)量結(jié)果，通過對(duì)Xe-136元素兩個(gè)中微子雙衰變的研究，發(fā)現(xiàn)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(gè)什么樣的概念呢？研究小組的物理學(xué)家解釋說：其就相當(dāng)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(gè)放射性同位素樣品通過兩個(gè)中微子雙衰變途徑所對(duì)應(yīng)的半衰期的一個(gè)零頭。斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家喬治格拉塔Giorgio Gratta，他同時(shí)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(xué)研究小組的成員，格拉塔認(rèn)為：這是我們?cè)谶^去的測(cè)量研究中，所發(fā)

3、現(xiàn)的最慢的標(biāo)準(zhǔn)模型。而標(biāo)準(zhǔn)模型就是科學(xué)家建立物質(zhì)構(gòu)造模型最好的說明方式，可以解釋前文中，電子、質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，以及為什么兩個(gè)中微子雙衰變會(huì)處于首要地位。在兩個(gè)中微子雙衰變探究實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家搜集了七個(gè)光電二極管，通過大量的傳感器來檢測(cè)兩中微子雙衰變，并推測(cè)其中還包含著其他的衰變。對(duì)此，物理學(xué)家喬治格拉塔同時(shí)也認(rèn)為：兩中微子雙衰變是非常符合于標(biāo)準(zhǔn)模型之中，所以從這個(gè)意義上出發(fā)，這個(gè)觀測(cè)的方法并不令人感到意外。而實(shí)際上，這種形式的衰變，我們之前在其他元素上已經(jīng)觀察到。即便如此，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家研究小組的結(jié)論意味著這個(gè)發(fā)現(xiàn)比任何一個(gè)吉尼斯世界紀(jì)錄都來得更有價(jià)值。EXO 200探測(cè)器是第一個(gè)捕捉

4、到Xe-136元素發(fā)生的兩中微子雙衰變過程，而這個(gè)衰變的檢測(cè)結(jié)果是基于一個(gè)“非常干凈的數(shù)據(jù)背景，科學(xué)家在得出這組數(shù)據(jù)前，排除了背景噪音的干擾，產(chǎn)生的穩(wěn)定的信號(hào)，為理論物理學(xué)家提供了珍貴的數(shù)據(jù)源，使他們能解決之前在計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間產(chǎn)生的驚人費(fèi)解的差異性。但是，關(guān)于Xe-136元素兩中微子雙衰變的實(shí)驗(yàn)還遠(yuǎn)未完畢，我們目前獲得的僅僅是早期的結(jié)果。而EXO 200檢測(cè)研究小組還希望能找到另一個(gè)衰變的過程，這個(gè)衰變比兩中微子雙衰變還要來得“空想，因?yàn)檫@個(gè)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?？茖W(xué)家通過對(duì)該衰變的研究，可以測(cè)

5、量中微子的質(zhì)量，而且我們?nèi)缃襁€沒有這種衰變所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模型。所謂的“零中微子雙衰變，在粒子物理上定義為兩個(gè)中子再次衰變成兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，在這個(gè)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?yàn)?，必須有兩個(gè)反中微子進(jìn)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(zhì)子和反質(zhì)子發(fā)生互相湮滅，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在任何一種粒子和它所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的反粒子。這聽起來似乎有點(diǎn)兒奇怪，有點(diǎn)兒像反證法，從結(jié)論反推到條件。目前的粒子物理學(xué)中認(rèn)為，一個(gè)粒子都有存在其本身和反粒子的可能性，這個(gè)

6、結(jié)論是由意大利理論粒子物理學(xué)家埃托雷馬約拉納Ettore Majorana于1937年所做的推測(cè)。埃托雷馬約拉納在中微子質(zhì)量上做了突出研究奉獻(xiàn)，并提出了馬約拉納方程式。根據(jù)埃托雷馬約拉納方法所推測(cè)出的粒子被稱為馬約拉納粒子，而假如這個(gè)粒子被發(fā)現(xiàn)是存在的，那么物理學(xué)家就應(yīng)該忙著去修改他們的標(biāo)準(zhǔn)模型了。物理學(xué)家喬治格拉塔對(duì)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(gè)研究進(jìn)展了很長(zhǎng)一段時(shí)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(shí)是一個(gè)大問題。同時(shí)供職于這個(gè)兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家馬蒂布雷登巴赫Marty Breidenbach認(rèn)為:

7、 EXO200研究小組所進(jìn)展的試驗(yàn)正在朝這個(gè)方向努力，而如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)衰變過程，其中還蘊(yùn)藏著一個(gè)哲學(xué)道理，即一個(gè)物理過程幾乎不可能發(fā)生是由于這個(gè)過程的稀有性，而一個(gè)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(gè)兩個(gè)選項(xiàng)中產(chǎn)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(shí)機(jī)，假如是一個(gè)極小的概率事件，在龐大的試驗(yàn)樣本前提下，也會(huì)進(jìn)步它的發(fā)生概率?？茖W(xué)家在一個(gè)充滿200千克液態(tài)氙的檢測(cè)室中，細(xì)心地照料著試驗(yàn)對(duì)象，即使氙不斷地富集，直到到達(dá)80%的Xe-136雙衰變同位素程度。研究小組為了能清楚地檢測(cè)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(gè)放射源。而整套試驗(yàn)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(xué)裝配運(yùn)輸?shù)耐局兄荒苓M(jìn)展卡車運(yùn)輸，不能進(jìn)展空運(yùn)，這是因?yàn)轱w行會(huì)暴露在更多的宇宙射線下。最終運(yùn)輸?shù)叫履鞲缰菘査拱偷赂浇钠嫱咄呱衬囼?yàn)場(chǎng)，該裝置將被安裝在半英里深的鹽層地下，廢物隔離試驗(yàn)工廠中，該處那么是由美國(guó)能源部用于處理核廢料的儲(chǔ)存庫。這樣。核廢料存儲(chǔ)庫的鹽層就會(huì)帶有核廢料的放射性，儲(chǔ)存庫外就會(huì)帶有宇宙射線以及衰變的痕跡，就可以通過EXO200檢測(cè)器探測(cè)到。科學(xué)家檢查初步的低背景結(jié)果顯示，EXO200還是處于工作狀