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“冰立方”未探测到惰性中微子

“冰立方”未探测到惰性中微子
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冰立方中微子探测器的光学传感器进入冰层。图片来源:Jim Haugen

  近日,深埋在南极大陆冰雪中的巨型粒子探测器公布了对一种名为惰性中微子的假设粒子的寻找结果:完全没有。

  这项于8月8日刊登在《物理评论快报》上的结果并不意味着对这种亚原子粒子长达数十年寻找的结束,但它是迄今为幸运28止惰性中微子不存在于物理学家希望的质量范围内的最有力证据。

  中微子无处不在:每秒万亿个中微子飞过人们的身体。但它们与其他物质的相互作用十分微弱,难以捕捉,这就需要大型地下实验设备,探测中微子—物质碰撞。目前,科学家已经发现3种中微子:电子中微子、渺子中微子和涛子中微子,它们也能随着行进改变自己的类型。

  上世纪90年代,美国新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯国家实验室发现一个异常信号,表明可能存在第四种中微子,而这种粒子与其他物质的相互作用甚至比普通中微子更弱。因此,科学家将其命名为“惰性”中微子。阿拉莫斯实验室认为该粒子的重量约为氢原子的十亿分之一,约1电子伏特。之后,其他研究也发现了类似异常现象。

  但一直以来,人们从未直接发现惰性中微子。“看到它的唯一方法是依靠对其他3个中微子的观察。”威斯康星大学麦迪逊分校物理学家Francis Halzen说。Halzen也是冰立方探测器的首席研究员。

  冰立方利用一张特制的“网”捕捉中微子的滑行过程。它由5000多个埋在南极冰下2公里的光线传感器组成,其所涉及的南极冰体足以填满几十万个奥林匹克游泳池。在这么大的体积中,来自宇宙的中微子穿过太空、穿过人体甚至岩石,偶尔会撞上冰中的原子,从而发出微弱的闪光。

  为了寻找惰性中微子,Halzen团队分析了渺子中微子的运动轨迹。这些粒子产生于宇宙射线和大气层中的空气分子的碰撞,并穿过地球到达探测器。冰立方团队希望发现渺子中微子在特殊能量上的衰退。这将暗示,一些渺子中微子在旅幸运28行中临时变成惰性中微子。

  但在分析了1年中积累的有价值数据后,研究人员没有发现证据显示存在约1电子伏特的惰性中微子。这与欧洲空间局普朗克卫星得到的结果一致,该卫星从宇宙证据中推断,在这一质量范围内,中微子家族可能就只有3个成员。

  “我希望,我们的结果和普朗克的结果,能让我们慢慢走回这个故事。”Halzen说。不过,该团队仍在收集惰性中微子捕获工作的数据,但“大家并不希望结果会有改变”。

  西班牙巴伦西亚大学理论物理学家Olga Mena Requejo认为,这些发现排除了针对阿拉莫斯实验异常信号的惰性中微子解释,至少在最简单的理论模型中是如此。但她和其他一些物理学家相信,一些模型仍为这种粒子的存在敞开大门。

  数年前,一组科学家发现暗物质并不太冷也不太热,这些“温”暗物质粒子可能是一类质量更大的中微子,即惰性中微子。加州大学欧文分校理论天体物理学家Kevork Abazajian表示,虽然短暂工作的日本瞳空间望远镜没有发现7千电子伏特的惰性中微子,但结果尚不确定。因此,针对更大质量惰性中微子的搜寻仍在继续:冰立方的结果没有显示是否存在更巨大的惰性中微子。

  不过,事情可能并不简单。中国大亚湾实验主要参与者之一Kam-Biu Luk说:“寻找惰性中微子就像在黑暗房间击球。我们不知道它们在哪里。”