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深度解讀

科學(xué)家驗(yàn)證40年前中微子預(yù)言 50年后或像激光一樣普及

星之球科技 來(lái)源:鳳凰科技2017-08-07 我要評(píng)論(0 )   

據(jù)gizmodo北京時(shí)間8月7日?qǐng)?bào)道,物理學(xué)家預(yù)言了許多他們希望發(fā)生的現(xiàn)象,但在他們有生之年,這些現(xiàn)象可能都不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。例如,一名物理學(xué)家就認(rèn)為,在一定條件下,普遍存...

 
 
美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室SNS實(shí)驗(yàn)
 
據(jù)gizmodo北京時(shí)間8月7日?qǐng)?bào)道,物理學(xué)家預(yù)言了許多他們希望發(fā)生的現(xiàn)象,但在他們有生之年,這些現(xiàn)象可能都不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。例如,一名物理學(xué)家就認(rèn)為,在一定條件下,普遍存在但難以探測(cè)到的中微子(一種粒子)將能使整個(gè)原子核發(fā)生振蕩。考慮到探測(cè)這種現(xiàn)象的難度,他本人認(rèn)為提出這樣的想法就夠蠢了。
 
但40年后,科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。
 
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種探測(cè)“相干中微子-原子核碰撞”的全新方法。早在上世紀(jì)70年代,一名物理學(xué)家就預(yù)言了中微子相互作用的可能性,一些人認(rèn)為,這一發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)像科幻片一樣利用中微子奠定基礎(chǔ),也有人則持更謹(jǐn)慎的態(tài)度。但有一點(diǎn)是確定無(wú)疑的:物理學(xué)家認(rèn)為這一結(jié)果令人激動(dòng)。
 
伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家胡安·埃斯特拉達(dá)(Juan Estrada)在郵件中表達(dá)了自己的激動(dòng)。埃斯特拉達(dá)也在從事這方面研究,但并未參與這次研究。
 
根據(jù)物理學(xué)定律,粒子間存在4種基本力:引力、電磁力、弱相互作用力、強(qiáng)相互作用力。中微子是一種特殊類(lèi)型的粒子,只通過(guò)引力和弱相互作用力與其他粒子相互影響,在目前條件下,這兩種作用力的探測(cè)相當(dāng)困難。中子——原子核中的兩種粒子之一,會(huì)發(fā)生被稱(chēng)作β衰變的弱相互作用,在衰變?yōu)橘|(zhì)子的同時(shí)釋放出一個(gè)中微子和一個(gè)電子。
 
目前,物理學(xué)通過(guò)與上述過(guò)程相逆的過(guò)程探測(cè)中微子。一個(gè)中微子轟擊一個(gè)質(zhì)子,就可能引起反β衰變,生成一個(gè)電子和一個(gè)中子,電子生成的閃光會(huì)被探測(cè)器探測(cè)到。但是,這類(lèi)反β衰變本身很稀少,要捕捉到它要求使用大量液體。
 
麻省理工學(xué)院退休理論物理學(xué)教授丹尼爾·弗雷德曼(Daniel Freedman),是在1974年預(yù)言另外一種不同中微子相互作用的物理學(xué)家之一。他認(rèn)為,除與質(zhì)子相互作用外,中微子還能與整個(gè)原子核相互作用。這個(gè)過(guò)程的能量很低,因?yàn)橹形⒆又荒芡ㄟ^(guò)弱相互作用力產(chǎn)生微弱的碰撞,但這種相互作用要多得多,因?yàn)樵雍说某叽缫h(yuǎn)大于質(zhì)子。它將使利用尺寸小得多的探測(cè)器探測(cè)中微子成為可能,而且只需不到5萬(wàn)噸水。
 
 
 
科勒COHERENT探測(cè)器模型
 
但弗雷德曼指出,“我們的方案可能有些狂妄自大,因?yàn)椴豢杀苊獾南嗷プ饔寐?、分辨率和背景噪聲?huì)給中微子-原子核彈性散射實(shí)驗(yàn)帶來(lái)重大困難。”換句話(huà)說(shuō),他認(rèn)為這種相互作用過(guò)于微弱和稀少,探測(cè)難度極大。
 
40年后,美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)證明弗雷德曼是正確的。卡弗里理論物理研究所物理學(xué)家胡安·科勒(Juan Collar)表示,“確實(shí),這并非是不可能的。”
 
這次研究取得成功要?dú)w功于特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和好運(yùn)氣。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行一個(gè)名為“散變中子原”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SNS”)的中子(不是中微子)實(shí)驗(yàn)。在產(chǎn)生中子的同時(shí),實(shí)驗(yàn)還產(chǎn)生大量中微子。研究COHERENT的科學(xué)家就利用了這些中微子。中子可能會(huì)影響信號(hào),但研究團(tuán)隊(duì)在20英尺(6.1米)混凝土墻后的地下室中發(fā)現(xiàn)一個(gè)位置,能夠屏蔽除中微子之外SNS發(fā)射出的其他粒子。杜克大學(xué)物理學(xué)家、COHERENT合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)言人凱特·舒伯格(Kate Scholberg)表示,“能在SNS找到這樣一個(gè)位置,我們真的很幸運(yùn)。我擔(dān)心我們會(huì)被中子殺死,事實(shí)證明我們的擔(dān)心是多余的。”
 
科勒表示,COHERENT實(shí)驗(yàn)裝置從本質(zhì)上說(shuō)就是一塊晶體,當(dāng)中微子轟擊晶格時(shí),通過(guò)弱相互作用發(fā)生的相互作用會(huì)引起原子核振蕩,發(fā)射出可探測(cè)到的微弱光點(diǎn)。中子束脈沖時(shí)斷時(shí)續(xù),可探測(cè)信號(hào)也會(huì)隨之起伏??评照f(shuō),“我們知道中微子束何時(shí)出現(xiàn),因?yàn)樗棵胫话l(fā)射60次。這對(duì)我們來(lái)說(shuō)太重要了。”
 
 
 
實(shí)驗(yàn)信號(hào)
 
舒伯格表示,除驗(yàn)證40年前的理論外,這次實(shí)驗(yàn)還為預(yù)言中微子活動(dòng)的猜想設(shè)定了約束條件??评照J(rèn)為,這次研究最重要的應(yīng)用,是為未來(lái)更小的中微子實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ),“也許未來(lái)50年后,中微子技術(shù)會(huì)普及,就像目前曾經(jīng)被認(rèn)為屬于絕對(duì)高科技的激光一樣。”
 
其他科學(xué)家也對(duì)此激動(dòng)不已——其他團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)室探測(cè)同樣的現(xiàn)象。夏威夷大學(xué)物理學(xué)家約翰·格雷戈里·勒尼德(John Gregory Learned)說(shuō),“這次研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的過(guò)程——人人都認(rèn)為存在、但卻難以被發(fā)現(xiàn),這是一個(gè)巨大的成功。”但他呼吁對(duì)這一研究的前景持謹(jǐn)慎態(tài)度,目前認(rèn)為其應(yīng)用相當(dāng)有限。
 
弗雷德曼也相當(dāng)激動(dòng),“我當(dāng)然非常激動(dòng),終于有人完成了我在1974年論文中提出的實(shí)驗(yàn)。”(編譯/霜葉)

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