【奥门新萄京娱乐场】看中微子和它最后的,反

2019-10-12 13:18栏目:奥门新萄京娱乐场
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近日,欧洲核子研究中心宣布,大型强子对撞机上的LHCb实验发现了D介子的正—反物质不对称性,并表示这项发现“绝对会被写进粒子物理的教科书”。这一发现被CERN研究和计算主任Eckhard Elsen称为“粒子物理学历史上的一个里程碑”。

我曾收到过一个问题,问题本身很简短:中微子有质量吗?

科学家到底发现了什么?这次发现为什么这么重要?为了解开这些问题,《中国科学报》专访了中国科学院高能物理研究所副研究员李一鸣和意大利核物理研究院博士后陈缮真。

答案也并不长:本来不该有,但是实际上有。

“地图”与“不对称”

这个题目和答案本身都很简短的问题,实际上是一个需要解决的重大问题,重大到解决它肯定会获得诺奖。

虽说科学研究是一个依赖想象力的工作,但粒子物理学家也并非天马行空。他们手上有一张“地图”——粒子物理标准模型,描述了强相互作用、弱相互作用及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。然后,他们按图索骥解释未知,并将这张地图越画越细。

都是标准模型“惹的祸”

先说说为什么“不该有”。

之前我参加一个会议,会上一位青年学者讲了有质量的中微子对于宇宙演化的影响。报告非常精彩,有图有真相有故事。但是我注意到了她在报告的背景部分说,粒子物理标准模型里面中微子不应该有质量,但是后来发现中微子有质量,而且中微子的质量对于宇宙演化可能有重要的影响。

我于是就半开玩笑地问,为什么粒子物理标准模型里面中微子不应该有质量?

不知道,她回答说。我提醒道,你肯定知道粒子物理标准模型里面其它粒子的质量是怎么产生的吧?她没有任何犹豫,当场就回答:是通过希格斯机制获得的质量。我又接着问,那为什么中微子就不能这样获得质量呢?她就直接回答“不知道”了。

其它粒子如何通过希格斯机制获得质量,正是2013年诺贝尔物理学奖的获奖研究。

奥门新萄京娱乐场 1弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs)因为解释粒子如何获得质量的理论而共同获得2013年诺贝尔物理学奖。颁奖词为“在理论上发现了有助于我们理解亚原子粒子质量起源的机制,而且经由它所预言的、最近已经被CERN大型强子对撞机的ATLAS和CMS发现的基本粒子而得到了证实。” 图片来源:nobelprize.org

按照这张“地图”,科学家解释了“世界是怎么形成的”。

左手,右手,我一个慢动作

中微子质量和希格斯机制的关系和杨振宁和李政道所获得的诺贝尔物理学奖有密切的关系。

长话短说,杨振宁和李政道的这个诺奖工作说的是,尽管“宇称”守恒看起来是很自然的,也就是在基本物理规律的层面上,左右应该是对称的,镜子里面的我们看起来和我们应该是一模一样的,但是,对于中微子参与的弱相互作用,宇称并不守恒。

杨振宁和李政道提出了这个理论,著名的华人女物理学家吴健雄做实验证实了他们的理论是正确的。

实验表明,作为费米子(自旋为半整数)的中微子(自旋为1/2)都是左撇子(只能左旋),但是其他的费米子基本粒子都是既能左旋也能右旋。

这样杨振宁和李政道就获得了诺奖。但是很遗憾,吴健雄没有获得诺奖,这是诺奖历史上的著名遗憾之一。

奥门新萄京娱乐场 2李政道(左)和杨振宁(右)合影。两人于1956年共同提出宇称不守恒理论,并因此共同获得1957年诺贝尔物理学奖。图片来源:美国物理学会赠与果壳的照片

那为何“不对称”的中微子不能通过希格斯机制获取质量呢?

在粒子物理标准模型里面通过希格斯机制获得质量的办法,就是把某个粒子的左旋和右旋的波函数通过“汤川耦合”从希格斯场获得质量。但是中微子只能是左撇子,也就是没有右旋的中微子,这个耦合没法进行,所以可怜的中微子就没有办法通过希格斯机制获得质量了。而希格斯机制是粒子物理标准模型里面基本粒子获得质量的唯一办法,所以中微子的质量在粒子物理标准模型里面就只能是零了!

这么看来,在基本粒子的层面上,“左右开弓”就显得非常重要了,否则连获得质量的机会都没有!

陈缮真告诉记者,在宇宙大爆炸之初,宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却,宇宙中的能量转化成了大量的正反粒子对,此时正反物质总量一样多。接着,大量的正反粒子重新彼此结合,湮灭为光子,这个过程经过了长久的反复,其能量最终成为了至今遍布宇宙中的微波背景辐射。然而在这个过程中,正反粒子的行为出现了些许不同,每十亿个正反粒子湮灭的过程中,有一个正物质粒子被留了下来,并最终组成了当今宇宙中所有的物质。

中微子和它最后的“倔强”

但是,中微子表示不服!

上帝是公平的,左撇子并不是俺的错儿,凭啥俺就不能获得质量?尽管希格斯机制不理会中微子,中微子还真的通过别的方式获得了质量,而且还让好几个科学家获得了大奖!

奥门新萄京娱乐场 3梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳因发现中微子振荡获得了2015年诺贝尔物理学奖。图片来源:nobelprize.org

比如,2015年的诺贝尔物理学奖授予了物理学家梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),奖励他们发现了中微子振荡,而中微子振荡就是中微子有质量的直接表现!

奥门新萄京娱乐场 4中微子有三种“风味”:电中微子(νe)、μ中微子(νμ)以及τ中微子(ντ),在其传播过程中,可能会发生味间的振荡,即在某个地方产生的电中微子在另一个地方被探测到时就可能会变为μ中微子或τ中微子,这种现象被称为“中微子振荡”。梶田隆章团队的实验和阿瑟·麦克唐纳所带领的研究小组的实验一同发现了“中微子振荡”的新现象,证明长期被认为没有质量的中微子,其实必须是有质量的。图片来源:Nobelprize.org

著名的中国物理学家王贻芳院士领导的大亚湾中微子实验国际合作团队,于2012年3月对外宣布发现了一种新的中微子振荡,这表明所有已知的中微子都有质量。

奥门新萄京娱乐场 5大亚湾核反应堆中微子实验远点实验厅。图片来源:曹俊,blog.sciencenet.cn

于是,王贻芳获得了2015年基础物理学突破奖(这是中国科学家首次获得该奖项,该“科学突破奖”单项奖金高达300万美元,远超诺贝尔奖,堪称科学界“第一巨奖”);2017年1月10日王贻芳担任主要完成人荣获了国家自然奖一等奖。

既然粒子物理标准模型不允许左撇子的中微子(和右撇子的反中微子)获得质量,那么中微子获得质量的机制就一定是粒子物理标准模型以外的某种未知的神秘机制,破解这个秘密一定会给物理学带来重大的进步,和发现暗物质粒子以及理解暗能量的机制是一个量级的成果(因为粒子物理标准模型里面也没有暗物质和暗能量什么事),获得诺奖是肯定的,只是这些研究会获得多少诺奖是不确定的而已!

目前王贻芳院士所领导的更加大型的中微子实验JUNO(江门地下中微子观测站)正在往这个方向奔!

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【本文完成于2018年1月29日】

或许,这起初只是科学家的一种想象,不过,随后他们真的找到了证据。

作者名片

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1956年,30岁的李政道和34岁的杨振宁在《质疑弱相互作用中的宇称守恒》一文中提出“宇称不守恒定律”,质疑了传统的宇称守恒定律,认为宇称在弱相互作用中是不守恒的。

“宇称不守恒”是指在微观世界中“左”和“右”居然不对称。“比方说,微观粒子都有一种属性叫螺旋度,可以分为左旋和右旋。然而,一种叫做中微子的微观粒子却全是‘左撇子’,世界上只有左旋中微子,没有右旋中微子。”陈缮真说。

在李政道和杨振宁之前,粒子物理学家确实已证实强相互作用和电磁力中的宇称守恒,不过,弱相互作用中宇称守恒一直没能得到证实。这篇质疑传统的论文,让李杨二人在第二年就登上了诺贝尔物理学奖的领奖台。

“李—杨假说”得到验证后,科学家开始研究“电荷—宇称不守恒”,深入探索正反物质之间到底存在怎样的差别。

“电荷—宇称不守恒是说某个粒子衰变的行为居然和它的反粒子不一样,比方说左旋中微子和右旋反中微子之间的差异。”陈缮真说。

期待已久

在粒子物理学家的“地图”上,有一类参与弱相互作用的基本粒子名为“夸克”。夸克共分6种,按照理论预期,在其中3种组成的强子系统中,可以观测到电荷—宇称不守恒现象,这3种夸克分别是奇夸克、粲夸克、底夸克。

上世纪60年代,科学家在含有一个奇夸克的K介子中最早观察到了电荷—宇称不守恒;本世纪初,美国和日本的B工厂又发现了含有一个底夸克的B介子中的电荷—宇称不守恒,证实了导致世界上存在六种夸克的机制。

“介子就是一种由一个正夸克和一个反夸克组成的粒子,标准模型中有很多种由不同夸克组成的介子。”陈缮真说。

这两次发现分别获得了1980年和2008年诺贝尔物理学奖。

于是,含粲夸克介子的电荷—宇称不守恒成了预料之中、却迟迟得不到实验检验的现象。

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