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科学家验证40年前中微子预言 50年后或像激光一样普及

发布:opticseditor    |    2017-08-07 20:51    阅读:227
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据gizmodo北京时间8月7日报道,物理学家预言了许多他们希望发生的现象,但在他们有生之年,这些现象可能都不会被发现。例如,一名物理学家就认为,在一定条件下,普遍存在但难以探测到的中微子(一种粒子)将能使整个原子核发生振荡。考虑到探测这种现象的难度,他本人认为提出这样的想法就够蠢了。

但40年后,科学家宣布发现了这种现象。

科学家发现了一种探测“相干中微子-原子核碰撞”的全新方法。早在上世纪70年代,一名物理学家就预言了中微子相互作用的可能性,一些人认为,这一发现将为未来像科幻片一样利用中微子奠定基础,也有人则持更谨慎的态度。但有一点是确定无疑的:物理学家认为这一结果令人激动。

伊利诺伊州费米实验室物理学家胡安·埃斯特拉达(Juan Estrada)在邮件中表达了自己的激动。埃斯特拉达也在从事这方面研究,但并未参与这次研究。

根据物理学定律,粒子间存在4种基本力:引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。中微子是一种特殊类型的粒子,只通过引力和弱相互作用力与其他粒子相互影响,在目前条件下,这两种作用力的探测相当困难。中子——原子核中的两种粒子之一,会发生被称作β衰变的弱相互作用,在衰变为质子的同时释放出一个中微子和一个电子。

目前,物理学通过与上述过程相逆的过程探测中微子。一个中微子轰击一个质子,就可能引起反β衰变,生成一个电子和一个中子,电子生成的闪光会被探测器探测到。但是,这类反β衰变本身很稀少,要捕捉到它要求使用大量液体。

麻省理工学院退休理论物理学教授丹尼尔·弗雷德曼(Daniel Freedman),是在1974年预言另外一种不同中微子相互作用的物理学家之一。他认为,除与质子相互作用外,中微子还能与整个原子核相互作用。这个过程的能量很低,因为中微子只能通过弱相互作用力产生微弱的碰撞,但这种相互作用要多得多,因为原子核的尺寸要远大于质子。它将使利用尺寸小得多的探测器探测中微子成为可能,而且只需不到5万吨水。

但弗雷德曼指出,“我们的方案可能有些狂妄自大,因为不可避免的相互作用率、分辨率和背景噪声会给中微子-原子核弹性散射实验带来重大困难。”换句话说,他认为这种相互作用过于微弱和稀少,探测难度极大。

40年后,美国橡树岭国家实验室一个物理学家团队证明弗雷德曼是正确的。卡弗里理论物理研究所物理学家胡安·科勒(Juan Collar)表示,“确实,这并非是不可能的。”

这次研究取得成功要归功于特殊实验设计和好运气。橡树岭国家实验室在进行一个名为“散变中子原”(以下简称“SNS”)的中子(不是中微子)实验。在产生中子的同时,实验还产生大量中微子。研究COHERENT的科学家就利用了这些中微子。中子可能会影响信号,但研究团队在20英尺(6.1米)混凝土墙后的地下室中发现一个位置,能够屏蔽除中微子之外SNS发射出的其他粒子。杜克大学物理学家、COHERENT合作研究团队发言人凯特·舒伯格(Kate Scholberg)表示,“能在SNS找到这样一个位置,我们真的很幸运。我担心我们会被中子杀死,事实证明我们的担心是多余的。”

科勒表示,COHERENT实验装置从本质上说就是一块晶体,当中微子轰击晶格时,通过弱相互作用发生的相互作用会引起原子核振荡,发射出可探测到的微弱光点。中子束脉冲时断时续,可探测信号也会随之起伏。科勒说,“我们知道中微子束何时出现,因为它每秒只发射60次。这对我们来说太重要了。”

舒伯格表示,除验证40年前的理论外,这次实验还为预言中微子活动的猜想设定了约束条件。科勒认为,这次研究最重要的应用,是为未来更小的中微子实验奠定了基础,“也许未来50年后,中微子技术会普及,就像目前曾经被认为属于绝对高科技的激光一样。”

其他科学家也对此激动不已——其他团队在他们的实验室探测同样的现象。夏威夷大学物理学家约翰·格雷戈里·勒尼德(John Gregory Learned)说,“这次研究发现了一个独特的过程——人人都认为存在、但却难以被发现,这是一个巨大的成功。”但他呼吁对这一研究的前景持谨慎态度,目前认为其应用相当有限。

弗雷德曼也相当激动,“我当然非常激动,终于有人完成了我在1974年论文中提出的实验。”


美国橡树岭国家实验室SNS实验

科勒COHERENT探测器模型

实验信号

来源:凤凰科技

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