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科學家為宇宙最難以捉摸的粒子稱重

科學家為宇宙最難以捉摸的粒子稱重

KATRIN光譜儀內的真空室。圖片來源:MICHAEL ZACHER

銀色的真空室看上去像一艘齊柏林飛艇。不鏽鋼面板之間的焊接線依稀帶有裝飾派藝術風格,看上去曾經充滿未來感,如今卻已過時。雖然只有「興登堡號」飛船的1/10,但仍和一頭藍鯨的大小相仿——這艘飛船聳立在德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)一座像飛機庫一樣的建築物內,並且看上去似乎作好了飄走的準備。儘管這個真空室附著在地面上,但它擁有一個「飄渺」的目的:為最難以捉摸和最神秘的亞原子粒子——中微子稱重。

2001年,物理學家設計了卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗。如今,這個耗資6000萬歐元的項目的各部分最終正集合到一起。研究人員計劃在明年早些時候開始收集數據。「這是最後的倒計時。」約140名致力於該項目的研究人員的共同發言人、KIT物理學家Guido Drexlin 表示。

考慮到宇宙含有的中微子比任何其他物質粒子都要多,物理學家不知道中微子有多重似乎是一件很荒謬的事情。每一立方厘米空間平均約有350個宇宙大爆炸殘留的原始中微子。同時,太陽每秒鐘產生上萬億個穿過人體的高能中微子。然而,沒有人注意到它,因為這種粒子同物質的相互作用非常微弱。僅看到少數幾個中微子,便需要重達很多噸的探測器。目前尚未有簡單的方法來測量中微子的重量。

推斷中微子存在

1914年,英國物理學家James Chadwick研究了β衰變。這是一种放射性衰變形式,其中原子核會釋放電子,從而將中子變成質子。能量守恆定律表明,來自特定原子核,即鉛-214的電子應當始終以相同的能量出現。然而,Chadwick發現,它們以相當大的能量範圍出現。有些電子的能量甚至延伸到零,彷彿正在消失。

這一觀察結果引發了物理學上的一場小危機。偉大的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾甚至提出,能量可能不會在原子尺度上得以保存。不過,1930年,「淘氣」的奧地利理論學家Wolfgang Pauli通過更加簡單的方式解決了這個問題。他推斷,在β衰變中,第二種看不見的粒子伴隨著電子出現,並且隨機帶著一部分能量「潛逃」。這種粒子肯定很輕——小於質子質量的1%,而且不帶電荷,因此未能被探測器發現。

3年後,義大利物理學家Enrico Fermi將這種假設的粒子稱為中微子。在發展更加完善的β衰變理論的過程中,Fermi意識到,電子的能量可為研究中微子的關鍵屬性——質量提供線索。如果中微子是沒有質量的,電子能譜應當擴展至和它單獨出現時擁有的相同的能量。如果中微子是有質量的,能譜應該缺少同其質量相當的部分。為測量中微子的質量,物理學家只需要精確地描述出電子能譜在β衰變中的上限。

不過,這種測量方法要求極高的精度。數十年來,物理學家一直試圖利用氚——進行β衰變的最簡單的原子核——實現上述測量。1949年,首項研究表明,中微子的質量小於500電子伏特(eV),即電子質量的1/1000。KATRIN成員、美國華盛頓大學物理學家Hamish Robertson介紹說,自此以後,一系列實驗每隔8年便會將電子能譜的上限減半。「中微子質量有點遵循摩爾定律。」Robertson表示。如今,這一上限達到2eV左右——最輕的原子質量的二十億分之一。1999年,在德國美因茨和俄羅斯特羅伊茨克分別獨立開展的試驗均報告了這一結果。

設計KATRIN試驗

2001年,科學家在位於德國黑森林地區巴德利本策爾鄉下一座高山上的城堡中聚集,並且決定通過開展氚β衰變實驗,進一步推進中微子質量的測量工作。「這是KATRIN的起始點。」Drexlin表示。KATRIN試驗希望將質量上限降低10倍,即達到0.2eV,或者更低,從而獲得中微子質量的真實結果。

雖然KATRIN試驗是對測量中微子質量開展的長達70年探索的最高潮,但實驗的構建擁有自身的特點。實驗核心部分——長達23米、寬近10米的不鏽鋼真空室由一家位於代根多夫縣的公司製造。從代根多夫縣驅車僅400公里,便可到達位於KIT的KATRIN所在地。然而,由於沒有直接的路線可容納如此大的負重,因此科學家無法將其直接帶回家。

相反,2006年9月,這個重達200噸的裝置開始了一場更加漫長的旅程——先是沿多瑙河順流而下,到達黑海。從那裡,一艘船載著它通過愛琴海和地中海,然後順著歐洲大西洋沿岸和萊茵河而上。最終,在2個月後,它在一個位於KIT以北7公里處的村莊——利奧伯德港登陸。在那裡,一輛特殊的卡車載著它緩慢通過城鎮中心,有些時候距路邊僅有5厘米空餘。KIT物理學家Thomas Thuemmler介紹說,這場8800公里的旅行花費了60萬歐元,「其中最後7公里的花費和此前所有階段的花費相當」。

數十年來,物理學家發現,中微子以3種類型,或者說「味」存在——電子、μ介子和τ介子,而這取決於它們產生的粒子的相互作用。1990年,利用位於日本西部的大型地下中微子探測器——超級神岡探測器開展的試驗證實,宇宙射線碰撞大氣層中的分子產生的μ子中微子在穿過地球到達探測器時會改變「味」。

這種「味」的改變表明,中微子不可能是沒有質量的。否則,依照相對論,它們必須像光子一樣,以光速穿行。在這種情況下,時間對於它們來說是靜止的,從而使改變「味」成為不可能。不過,這種「味」的改變取決於3種中微子質量的差異,而非精確的數值。因此,儘管物理學家詳盡地研究了這種現象,但他們只能說,某種中微子肯定擁有至少0.05eV的質量。同時,他們不知道哪種類型是最重或者最輕的。

來自宇宙學的結果表明,KATRIN可能不夠敏感,從而無法為上述問題提供答案。宇宙大爆炸創建了塑造宇宙結構演化以及減緩星系和星系團形成的中微子海洋。通過研究新生宇宙中的物質剛剛開始聚集時釋放的宇宙微波背景以及星系的分佈,宇宙學家推斷,所有3種中微子的質量總和不超過0.2eV,而這恰好是KATRIN敏感度的上限。如果是這樣,要單獨測量β衰變釋放的電子中微子質量似乎變成不可能,因為對於KATRIN來說,它太輕了。

不過,上述估測帶有一條警告:它取決於宇宙學家利用的標準模型的有效性。標準模型假定,宇宙含有普通物質、僅通過重力進行相互作用的神秘「暗物質」以及同樣減緩了星系團形成的奇異「暗能量」。因此,加州大學爾灣分校宇宙學家Kevork Abazajian表示,通過測量中微子的質量,KATRIN的物理學家可測試標準模型,尤其是關於暗能量的假設,從而可能使事情出現反轉。「如果他們發現了同標準模型不一致的東西,便可以說宇宙學中的某些東西出了問題。」Abazajian說,「這將產生深遠的意義。」

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