一個(gè)追蹤“新物理”中微子的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)照理論家提出的標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展研究了與中微子探測(cè)相關(guān)的所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最新分析是第一次有如此全面的報(bào)道，顯示了右手中微子探索者面臨的挑戰(zhàn)規(guī)模，但也帶來(lái)了希望的火花。

在所有已觀測(cè)到涉及中微子的過(guò)程中，這些粒子都表現(xiàn)出一種被物理學(xué)家稱(chēng)為左手性的特征。右手中微子，這是標(biāo)準(zhǔn)模型最自然的延伸，無(wú)處可見(jiàn)。

那么是為什么呢？包括克拉科夫波蘭科學(xué)院核物理研究所(IFJ PAN)在內(nèi)的一個(gè)國(guó)際物理學(xué)家小組進(jìn)行的最新、極其全面的分析有助于回答這個(gè)問(wèn)題。來(lái)自所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，直接和間接用于中微子探測(cè)，第一次被包括在內(nèi)，并與標(biāo)準(zhǔn)模型各種理論擴(kuò)展施加的參數(shù)范圍進(jìn)行了核對(duì)。第一個(gè)亞原子粒子，電子，是在120多年前才被觀察到。從那時(shí)起，物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一大堆這樣的東西。

自然界建筑磚的豐富性是基于這樣的假設(shè)來(lái)解釋?zhuān)杭词澜缬闪N大夸克組成，而更不用說(shuō)質(zhì)量更輕的輕子也有六種。輕子包括電子、μ子(質(zhì)量是電子的207倍)、τ(質(zhì)量是電子的3477倍)和相應(yīng)的三種中微子。中微子與其他物質(zhì)的相互作用極差，中微子還顯示出對(duì)現(xiàn)代物理形態(tài)特別重要的其他特征。最新研究發(fā)現(xiàn)，這些粒子會(huì)振蕩，也就是說(shuō)，中微子不斷地從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類(lèi)型。

中微子應(yīng)該有質(zhì)量

這種現(xiàn)象意味著觀測(cè)到的中微子一定有一個(gè)質(zhì)量(雖然很低)。與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型（一個(gè)非常精確地描述亞原子粒子的現(xiàn)代理論工具）表明：在標(biāo)準(zhǔn)模型框架內(nèi)，中微子不能有任何質(zhì)量！理論和經(jīng)驗(yàn)之間的這種矛盾，是支持未知亞原子粒子存在的最有力跡象之一。然而，中微子的質(zhì)量并不是中微子唯一令人費(fèi)解的性質(zhì)。物理學(xué)家通過(guò)觀察各種粒子的衰變產(chǎn)物，并將記錄的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相比較，來(lái)了解中微子的存在。

事實(shí)證明，在所有表明中微子存在的情況下，這些粒子的自旋度總是相同的1/2，即它們是左手性的。這很有趣，因?yàn)槠渌镔|(zhì)粒子可以有正負(fù)自旋。但沒(méi)有右手中微子可見(jiàn)！如果它們不存在，那為什么會(huì)這樣？如果它們存在，它們藏在哪里？現(xiàn)在一個(gè)國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《歐洲物理雜志C》期刊上發(fā)表的新研究更接近于回答上述問(wèn)題。

來(lái)自IFJ PAN、歐洲核子研究組織(CERN)、盧萬(wàn)大學(xué)(比利時(shí)盧瓦恩-拉諾夫)、莫納什大學(xué)(澳大利亞墨爾本)、明興理工學(xué)院(德國(guó))和阿姆斯特丹大學(xué)(荷蘭)的科學(xué)家對(duì)十幾個(gè)亞原子物理中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)（包括一般性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和直接致力于觀察中微子的實(shí)驗(yàn)）收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了迄今為止最準(zhǔn)確的分析，而且研究人員并不局限于僅僅增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)和處理的數(shù)據(jù)量。

在分析中考慮了理論家提出需要右手中微子存在假設(shè)過(guò)程的可能性，其中之一是與馬約拉納中微子有關(guān)的蹺蹺板機(jī)制。1937年，埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)假設(shè)物質(zhì)粒子的存在是它自己的反粒子，這樣的粒子不可能帶電。因?yàn)槌酥形⒆又?，所有的物質(zhì)粒子都帶電荷，所以新粒子可能是中微子。理論表明，如果馬約拉納中微子存在，也可能存在蹺蹺板機(jī)制。

迄今最準(zhǔn)確的分析

這將意味著，當(dāng)一個(gè)自旋度狀態(tài)的中微子質(zhì)量不是很大時(shí)，自旋度相反的中微子肯定有非常大質(zhì)量。所以，如果左手中微子質(zhì)量非常低，如果它們是馬約拉納中微子，在右手性中，它們肯定是大質(zhì)量的，這就解釋了為什么我們還沒(méi)有看到它們。最新分析是使用專(zhuān)門(mén)的開(kāi)源GAMBIT包進(jìn)行，考慮了目前所有可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和各種理論機(jī)制提供的參數(shù)范圍。蹺蹺板機(jī)制本身意味著計(jì)算必須使用四倍精度的浮點(diǎn)數(shù)，而不是雙精度的浮點(diǎn)數(shù)。

最終數(shù)據(jù)量達(dá)到60 TB，分析在速度很快的波蘭計(jì)算集群普羅米修斯中進(jìn)行，該集群由AGH科技大學(xué)的學(xué)術(shù)計(jì)算機(jī)中心Cyfront管理。波蘭方面由波蘭科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家學(xué)術(shù)交流機(jī)構(gòu)撥款資助的分析結(jié)果并不樂(lè)觀。事實(shí)證明，盡管進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，收集了大量數(shù)據(jù)，但可能的參數(shù)空間只被穿透到了很小程度。研究可能會(huì)在即將開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)右手中微子。然而如果右手中微子藏在某個(gè)參數(shù)空間的最深處，可能要等上100年才能發(fā)現(xiàn)它們。

幸運(yùn)的是，也有一絲希望，在可能與右手中微子有關(guān)的數(shù)據(jù)中，捕捉到了潛在信號(hào)的蹤跡。在這個(gè)階段，它是非常弱的，最終可能只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，但如果不是會(huì)發(fā)生什么呢？在這種情況下，一切都表明，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的繼任者，未來(lái)圓形對(duì)撞機(jī)(Future Circle Collider)上，有可能觀測(cè)到右手中微子，但建設(shè)時(shí)間還很長(zhǎng)，科學(xué)家們將不得不用極大的耐心等待，期待某一天能看到右手中微子。

博科園｜研究/來(lái)自：波蘭科學(xué)院核物理研究所

參考期刊《歐洲物理雜志C》

DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-8073-9

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)