探测暗物质的实验也产生了类似的惊喜

XENON1T设备(图片来历:XENON1T官网)

来历:全国际科学

XENON1T是一个暗物质勘探项目,其设备位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。

虽然暗物质粒子没有现身,但XENON1T却获得了意料之外的发现。在本周《天然》期刊的一项研讨中,XENON1T团队发现了迄今为止最为稀有的作业:半衰期长达1.8x1022年,相当于万亿倍国际寿数的氙124衰变。这个意外发现,或许能为咱们揭开中微子的性质之谜。

许多时分,做物理实验像守株待兔,兔子不一定会来……

比如几十年前,日本的小柴昌俊在日本神冈的一个扔掉的地下矿井里,用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管勘探质子衰变的信号。他们极力了良久,但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长,越能供认质子的寿数,终究供认质子的寿数大于1033年。

但是,守得云开见月明。1987年,16万光年之外的超新星爆发,小柴昌俊那几千吨纯净水勘探到了超新星中微子。因为这个贡献,他在2002年得了诺贝尔物理学奖——这就是“来自16万光年之外的礼物”。

勘探暗物质的实验,也发生了类似的意外。

寻找WIMP

在意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory),有一个勘探暗物质粒子的项目——XENON1T。这个实验室与日本神冈小柴昌俊当年的实验室很像,也是很深的地下井,也需求用到很纯的液体勘探器。

格兰萨索国家实验室外景(图片来历:wikipedia)

只不过,日本神冈用的是纯净水,而意大利的XENON1T用的是纯度极高的液氙。氙(Xe)是一种惰性气体,一般被轿车改装者用做氙灯,氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素,是怎样用来勘探奥妙的暗物质粒子的?

需求侧重的是,暗物质粒子的理论模型非常多,寻找暗物质粒子犹如在茫茫人海中找人。直到现在,咱们甚至连暗物质的名字终究是什么都不知道。有的人说暗物质叫WIMP,有的人说暗物质叫Axion……公说公有理,婆说婆有理。

在许多暗物质理论模型中,有一种质量在1GeV~1000GeV量级(作为对比,咱们知道质子的质量靠近1GeV)的候选暗物质粒子格外受物理学家喜欢,这个粒子就是弱彼此作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)。

上海交通大学物理与地舆学院博士后张佳骏告诉《全国际科学》记者:“WIMP是一类盛行的暗物质候选者。在国际热大爆炸模型中,跟着前期炽热的国际逐渐胀大并冷却,暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长时间安稳留存到今天。只需暗物质粒子具有相当于弱彼此作用的反应截面,或许说它可以参与弱彼此作用,并且它们还比较重(静质量大于1GeV),在广泛的质量范围内(从GeV直到TeV量级),都能天然地说明现在地舆观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因——参与弱彼此作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸国际模型中关于国际暗物质密度的成功说明就被俗称为WIMP奇迹。”

可以看出,WIMP必定比质子重,因此假设要让它去撞一个原子核,假定这个被撞的原子核质量与WIMP差不多,那么就或许发生弹性磕碰,可以把被撞的原子核加快到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来,终究撞上其他物质而发光,科学家可以通过宣告的光来核算WIMP的质量与其彼此作用的截面。

在具体的操作中,有一部分科学家就选择了氙原子核作为被撞方针。氙是54号元素,实验选用的是半衰期最长的同位素——氙124。氙原子核与WIMP的质量是靠近的,因此可以“关公战张飞”,而不是“关公战蚂蚁”,这看起来也许是一幕好戏。

当然在质量比较小的暗物质粒子的理论中,比如所谓的轴子(Axion)质量就在μeV-keV量级,这个就不能去撞氙原子核来做实验了,因为氙原子核对轴子来说太重了,轴子撞上去犹如“蚍蜉撼大树”。

液氙所要勘探的,就是WIMP。

XENON1T的实验设备位于地下1400米深,内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。假设暗物质粒子WIMP存在,它的穿透才干极强,那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核磕碰,这种磕碰会发生一同的发光信号,科学家希望捕捉到这一小概率作业。

XENON1T实验设备内部(图片来历:XENON1T官网)

液氙意外衰变

本来科学家认为,液氙是非常安稳的,它就好像守株待兔这个故事里的“株”静静等候暗物质粒子这个“兔”来碰击它。

但是,意外发生了。

最近,在XENON1T协作组的科学家发现,兔子没等到,株却变了。

在本周宣告在《天然》杂志上的一篇论文中,XENON1T的研讨人员宣告观察到氙124的放射性衰变。氙124变成了碲124,原子序数从54号元素变成了52号元素。

这作业是怎样发生呢?简略地说就是一个“电子捕获”进程。

电子捕获在白矮星与中子星构成进程中非常常见,因为强引力的作用,原子核会捕获电子,然后放出中微子。但是,在正常的环境下,假设没有健壮的引力加持,那么原子核自发地捕获电子的概率很低——咱们也可以用反证法来看这个作业,假设这个概率很高,那么咱们人类就不会存在。人体的大部分是水,假设水分子里的氢原子核自发捕获核外电子,那么就会变成中子。水分子里的氧原子核假设自发捕获电子,那么就会变成在元素周期表上相邻的氮或许碳。咱们人类就会被“中子化”或许“碳化”。

所以,自发捕获电子,对液氙的原子核来说,也只是小概率作业。氙124的半衰期为1.8x1022年。

不过,最近科学家发现了液氙原子核捕获电子后发生衰变的现象。

中微子性质之谜

XENON1T实验组的液氙一口气居然捕获了两个电子。

这作业就大了。

咱们知道,原子核是带正电的,当它遽然吸收两个电子往后,原子核内的质子与电子会结合构成中子。这个进程发生往后,学术界有两种观念。

第一种观念认为原子核已然吃进两个电子,它应该放出两个中微子。这叫做“双中微子双电子捕获”(2νECEC)。

其他一种观念认为,原子核吃了两个电子,但不会宣告中微子,这叫做“无中微子双电子捕获”(0νECEC)。

2νECEC进程示意图(图片来历:XENON1T官网)

其间第一个观念是支撑粒子物理的标准模型的,而第二个观念则是违反粒子物理标准模型的,这说明中微子是马约拉纳粒子——也就是说中微子的反粒子就是它自己。

张佳骏说:“XENON1T实验组的条件仍是比较有限的,他们虽然没有条件勘探到中微子,但他们有许多光电倍增管,可以勘探到这个进程中的X射线与俄歇电子激起的光信号。从光信号的能量分析来看,他们支撑的是第一种观念,也就是说他们认为已经有中微子释放出去了。”

从物理图像上来看,只需当两个电子恰好在正确的时间一同紧靠原子核时,才会发生双电子捕获,这是“一种稀有的现象再乘以另一种稀有的现象,使它终究变得极点稀有”。从费曼图的角度来说,两个中微子双电子捕获是一个二阶弱彼此作用进程,其概率极小,假设不是要许多的液氙,观测到这种现象的时间远超国际的年岁。

到现在为止,只需两种同位素氪78和钡130出现了2νECEC衰变的痕迹。而这个液氙实验说明,氙原子核也可以发生2νECEC衰变。

张佳骏标明,这次作业能供认氙发生了2νECEC衰变,不过现在还不能打扫中微子是马约拉纳粒子的或许性:“不管中微子是不是马约拉纳的,2vECEC都是可以发生的;但只需当中微子是马约拉纳粒子时,才有或许发生0vECEC。因此,只需等候更健壮的勘探技术出现,才有或许给出定论。”

这次实验是一个意外,因为液氙的实验本来不是为了勘探中微子规划的,但在暗物质粒子WIMPS没被找到的情况下,却意外发现了液氙发生了2νECEC,这给咱们一个启示:在实验中增加中微子的勘探设备,这或许不但能查验中微子终究是不是马约拉纳粒子,还或许测量出中微子的必定质量。

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