第四种中微子?重新点燃核反应堆寻找神秘的“无菌”中微子

到今天相信你已经知到物质(如人、地球、手机…)是由粒子构成的。但是宇宙中第二个最丰富的粒子即中微子,目前尚不完全了解。这个微小而难以捉摸的粒子与构成我们人类和星系的其他粒子几乎没有相互作用。到目前为止它的奥秘依然让科学家所困惑。

图片:加州大学劳伦斯伯克利分校国家实验室

注:(编译者与“博科园”商讨后)由于翻译词法问题本文中所提到的“无菌中微子”和“惰性中微子”均是指相同的中微子,一般理学中中文应称为“惰性中微子”更为恰当,但编者百度了一下也有将此语句翻译成“无菌中微子”的案例故而本文对此名字使用了两种注明也为此特别说明、希望大家予知晓。

现有三种中微子分别是"电子中微子","μ中微子" 和 "τ中微子",它们可以通过称为中微子振荡的过程来转换身份。但许多实验的证据表明,另一种(惰性)“无菌”中微子比其它三种 "中微子" 更难探测。今年 4月一篇新的论文引起了媒体对这种奇怪粒子存在的怀疑。但另一项分析显示它远未消失。并且对 "反应堆异常"的理解及其对核电工业可能有重要的影响。

安娜·海斯(Anna Hayes)在洛杉矶阿拉莫斯国家实验室的arXiv预印服务器上发表的一项新分析的第一作者说:一般的看法是,有必要进行新的实验、

无菌中微子有很长的故事,核反应堆和粒子加速器的实验证实了奇异的中微子身份转换振荡行为,使得科学家Takaaki Kajita和Arthur McDonald获得2015年诺贝尔物理学奖。但是在洛斯阿拉莫斯的一个名为“液体闪烁体中子检测器”的实验,看到了额外的“电子反中子”(在粒子物理学中每个粒子都有一个反粒子的行为完全相同,但是在振荡过程中湮灭了)。另一个名为MiniBooNE的实验也在自己的振荡中看到一些额外的数据。

这额外的数据暗示可能有第四种中微子,即(惰性)无菌中微子,实验无法检测到,但其他三种中微子可以改变。粒子彼此作用有四种确定的方式:引力力,电磁,强核力和弱核力。常规中微子与其他粒子与弱核力和重力,但也许这些(惰性)无菌中微子只能通过引力作用,这可以解释为什么实验看不到它们。

可以这里理解,假设你有一个对讲机调到弱核力通道,中微子是广播他们的信息有两个对讲机:一个在你的频道,一个引力通道, 但是如果你的无线电不能接信号在引力频道,这是唯一(惰性)中微子可以播放的频道,所以你不能听到他们。

最近,在中国的大亚湾核电站,科学家们已经建立了特殊的中微子探测器来捕捉从反应堆中出来的微粒。当中微子通过弱核力与分子相互作用时,一个特殊液体的巨型水池产生微小的闪光,在探测器里这些闪光被放大并变成信号。

这项实验揭示了人们称之为 "反应堆异常" 的现象,来自伊利诺伊理工学院的Bryce Littlejohn解释了说:“反应堆中微子实验”中中微子检测器观察核电厂的放射性元素,反应堆中微子比理论家预测的要少6%。这一缺陷的一个假说是在反应器中产生的一些电子类型的中微子正在转变为对各种反应堆中微子探测器的更具幽灵性的(惰性)无菌中微子,然而探测器不能与这些中微子作用故而不能被探测到。

大亚湾八个中微子探测器之一。图片:Roy Kaltschmidt,劳伦斯伯克利国家实验室/维基共享资源

但4月的一系列新结果得到了大量的媒体报道,并对(惰性)无菌中微子是否能解释这种反常现象表示怀疑。从根本上说研究人员发现随着时间的推移,大亚湾的放射性燃料的元素组成发生了变化,异常的大小发生了变化。这些结果暗示也许探测器只是误判了一种来自铀-235燃料中的反中微子数量。也许 U-235 的差异可以解释反应堆的反常现象,耶鲁大学的中微子物理学家Karsten Heegerr说:简而言之也许他们还没有找到无菌中微子的证据。

这些新闻引发了大量的探讨,但Hayes的新分析显示铀-235的结果可能无法解释这个异常现象。我们会说新的大亚湾结果肯定会质疑异常的起源,但并不排除是(惰性)无菌的中微子的原因。研究人员回到了核电工业和其他数据库,再次研究了中微子流量和核衰变数据。虽然中微子异常的规模小于Littlejohn所描述6%的异常,但仍然存在与燃料不变,反驳了4月份公布的新闻报道(惰性)无菌中微子或许并没有不存在, 尽管海耶斯不排除这样一个事实,也许科学家们根本就不了解核物理学。

Littlejohn指出许多中微子物理学家认为某种分析可能会有问题。但是反应堆一次性处理(惰性)无菌中微子的唯一真正方法就是用新型反应堆实验直接测量无菌中微子转化。他和Heeger都在做这样一个叫做PROSPECT的实验,而不是与大亚湾发现的同位素混合物,PROSPECT将从使用纯铀-235的橡树岭国家实验室反应堆中观察到反中中微子。

Hayes表示:新的实验将进入一个更小的反应堆(不到十米)。大亚湾的探测器位于距离反应堆数百米的地方,但PROSPECT距离其反应堆仅有七米,使研究人员能够在排放之后尽早观察中微子。Hayes指出欧洲的其他试验将同样试图解释这个异常现象。

中国大亚湾反应堆。照片由劳伦斯伯克利国家实验室提供/ Roy Kaltschmidt?2010加利福尼亚大学摄

如果这一切感觉像一些深奥的粒子物理学,它实际上是相当重要的核反应堆一般"β衰变",中微子产生的过程,产生了大量的热量不正确地计算中微子,我们就不会正确计算出热量,这同样对反应堆的安全有重要的意义。

Heeger和Hayes都指出(惰性)无菌中微子问题超越了中微子物理学,从其他粒子物理学家和核物理学家那里调用了的知识。如果这是一个核物理问题,对另一个领域来说同样重要。

原作者:Ryan F. Mandelbaum

编译:光量子

审校:博科园