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惰性中微子无处可藏——如果它真的存在的话

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检测器: MINOS中微子设备的终点位于明尼苏达州的苏丹,距离芝加哥郊外的光束源500多英里。图片由费米佳博体育提供

威廉和玛丽物理学家迈克·科尔多斯基对无菌中微子问题持怀疑态度,但他说,如果被证明是错误的,他会很高兴。

他参与设计了一项旨在证明惰性中微子存在的实验,惰性中微子是理论上的亚原子粒子,被认为是其他种类中微子活动的原因。最近公布的实验结果——实际上是两个截然不同的实验——证明了科尔多斯基的怀疑是正确的。现在。

费米国家加速器佳博体育(Fermi National Accelerator Laboratory)的一份新闻稿宣布,最近对惰性中微子的搜索一无所获。科尔多斯基说,他在费米佳博体育的MINOS实验和中国大亚湾实验的合作得出的无效结果并没有彻底否定中微子不育的概念,但它确实使这种粒子存在的可能性大大降低。

中微子具有奇异的特性。它们(至少)有三种类型或“口味”。它们在飞行过程中从一种味道转变为另一种味道。而且它们几乎从不与物质相互作用,这一特性使得中微子极难研究。

无菌中微子——如果它确实存在的话——即使在中微子中也很奇怪。已知的三种中微子,tau介子和电子,很少与物质相互作用。惰性中微子从不直接与物质相互作用,只通过引力间接地与物质相互作用。

无菌中微子被认为是20年前出现的一个谜题的潜在答案。洛斯阿拉莫斯国家佳博体育的科学家们在20世纪90年代开始的LSND实验中发现了一种新的、意想不到的中微子振荡的证据。无菌中微子被假定为一种解释,于是寻找这种粒子的工作开始了。

猎鸭者监视着可能存在的湖泊和河流;粒子猎人在可能的能量水平内寻找猎物。科尔多斯基说,惰性中微子的搜索集中在1电子伏特平方左右的能量区域。

“在这个区域,其他几个实验已经看到了异常的结果。这是一个我们不能完全排除的地区,但现在我们接近了。”

“我从来没想过那些异常的结果看起来像无菌振荡,”他补充说。

MINOS探测器用于“正常”中微子振荡实验。科尔多斯基解释说,MINOS通过一对探测器发射一束μ子中微子,其中一个靠近光束源在芝加哥,另一个在大约450英里外的明尼苏达州。

为了寻找惰性中微子,科尔多斯基和他的同事们必须想出一种方法,利用MINOS探测器来做一些它实际上并没有被设计用来做的事情。他说,标准的MINOS实验将计算近端和远端探测器之间振荡的中微子数量,“假设在光束到达近端探测器之前没有发生振荡”。

科尔多斯基解释说:“问题是:对于这种无结果的中微子搜索,振荡没有发生的最初假设是不成立的。”“所以你必须找到一种方法来使用远探测器来约束近探测器。你寻找无菌振荡作为标准振荡之上的调制。我们使用的方法是取两个探测器之间的比值。这就消除了很多不确定性。”

科尔多斯基是物理系的副教授,是参与中微子研究的威廉与玛丽科学家之一。事实上,William & 玛丽在minos和大亚湾合作项目的双方都有许多物理学家。除了科尔多斯基,“威廉与玛丽”团队在无菌中微子论文上的作者还有物理学教授杰弗里·纳尔逊(Jeffrey Nelson);Patricia Vahle,物理学副教授;Alena Devan phd ' 15;以及博士后助理亚历山大·拉多维奇。大亚湾方面的威廉和玛丽科学家有州长杰出CEBAF物理学教授Robert McKeown;和研究科学家王伟。

事实上,科尔多斯基说,导致minos和daya Bay合作的一些最初的对话发生在William & 玛丽。他的办公室与王伟使用的办公室相邻,科尔多斯基说,他们两人将讨论大亚湾和MINOS如何合作。

MINOS使用的是费米佳博体育产生的中微子束,与之相反,大亚湾实验关注的是来自中国核电站的电子反中微子。

大亚湾首次测量了控制中微子振荡的一个参数,这一结果获得了2016年基础物理学突破奖,获得这一荣誉的还有罗伯特·麦基恩,他是杰斐逊佳博体育的科学副主任,也是威廉与玛丽大学的教员。无菌中微子会影响电子反中微子消失的速度,但大亚湾的科学家们没有发现这方面的证据。

“无论是MINOS还是大亚湾消失的结果都不能单独与LSND的外观测量相比较,”黄恩川在费米佳博体育的新闻发布会上说。来自洛斯阿拉莫斯佳博体育和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的黄是参与大亚湾实验的科学家之一。“同时观察多种类型的中微子,可以让我们更好地处理惰性中微子。”

费米佳博体育的新闻稿称,联合零结果“大大缩小了光惰性中微子的隐藏空间”,同时指出科学家将继续寻找惰性中微子。

科尔多斯基说,他很高兴能继续参与寻找惰性中微子的工作,即使他是一个怀疑论者,他相信LSND的异常现象有另一种解释。

他说:“这可能是人们对中微子反应知之甚少。”“这可能是科学中发生的事情之一:一个被其他实验排除在外的异常结果。”

尽管他对此持怀疑态度,但他说他很乐意看到无菌中微子存在的证据。

“这将是一种新的物理学,”他说,“是对标准模型的修正。这是我们所有人都在努力的方向。”