caojun的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/caojun 中国科学院高能物理研究所 八卦物理,管窥大千

博文

三人成虎,中微子又有重大发现? 精选

已有 8912 次阅读 2011-4-6 00:13 |个人分类:我的物理|系统分类:科普集锦|关键词:中微子,反常,MINOS,惰性中微子,sterile| 中微子, 反常, MINOS, 惰性中微子, sterile

今天费米实验室的MINOS实验发表了新的反中微子实验结果,称正反中微子的振荡有98%的可能不一样

 

中微子是基本粒子中我们了解得最少的粒子之一,至今仍有大量未解之迷。

 

1967年开始,BNL的Ray Davis在南达科他州一千多米深的废弃金矿里探测到了来自太阳的中微子,发现它比预期的少了三分之二,称为“太阳中微子失踪之迷”。由于实验难度很大,不信的人很多,Davis日复一日地重复这个实验,做了三十年。

 

1990年左右,包括日本神岗、美国IMB等实验在内的一系列大气中微子实验都证明,我们观测到的由宇宙线在大气中产生的中微子比预期少,称为“大气中微子反常”。1998年,升级后的超级神岗实验以精确的数据证实,中微子存在振荡现象。Davis与小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖。

 

其实在这之前,用中微子振荡来解释太阳中微子失踪,看上去就是一件很自然的事情。然而更深入一点看,不同的太阳中微子实验的结果是不自洽的,没有一个中微子振荡模型能同时解释所有的实验。因此也出现了很多其它的解释,像衰变、干涉。后来M、S、W三个人提出了物质效应的影响,大家才意识到,原来太阳中微子不是在从太阳飞到地球的途中发生振荡,而是在太阳内部,在MSW效应主导下发生了振荡。也就是说,太阳中微子还没有飞出太阳就已经变少了。在这个机制下,所有的太阳中微子实验都得到了自洽的解释。后来的超级神岗实验,加上再后来的SNO实验和KamLAND,无可争议地确立了中微子振荡。三代中微子,共六个振荡参数,包括三个混合角,二个质量平方差,一个电荷宇称破坏相角。

 

然而,还有一个很另类的实验,就是在洛斯阿拉莫斯实验室,第一颗原子弹的诞生地,LSND实验看到了中微子减少,但不能用已存在的中微子振荡模式解释,因此提出除了三代正常的中微子外,还存在一种“惰性中微子”(sterile neutrino)。这种中微子一般不跟其它粒子作用,只有在需要的时候,象LSND实验中,它才起作用。

 

基本粒子物理的规律建立在对称性之上。林林总总的各种对称性,使这些规律显得非常漂亮。比如规范对称、时间平移、空间平移、CPT(电荷宇称时间)反演、轻子数守恒等等。例如时间平移对称,就是说一个规律,将时间平移一下,是不会发生变化的。今天做一个实验,跟明天做同样的实验,结果应该是一样的。这样一个似乎显而易见的事实,从最基本的理论上深入挖掘一下,居然隐藏着深意,即时间平移对称性意味着能量守恒规律。Yang-Mills规范理论,刚提出时是没有价值的,因为要保持规范对称性,就不能出现有质量的粒子,与现实不符。可是这个理论实在太漂亮了,所以杨振宁和Mills硬着头皮发表了文章。天才的泡利早就有过类似思想,由于与现实不符,所以没有发表,因此很气愤,反复刁难杨振宁:质量怎么办?杨说,我也不知道怎么办。后来陆续提出了Godstone粒子、自发破缺机制,解决了质量问题,规范对称性成了粒子物理理论的基础。也有不对称的地方。李政道和杨振宁提出的宇称不守恒就是。在弱相互作用中,左和右是不对称的。其实这是中微子捣的鬼,因为迄今只发现了左旋中微子。连右旋中微子都没有,左右当然对称不起来了。除了宇称,电荷宇称联合起来也是不对称的,称为CP破坏。但是CPT联合起来是对称的,迄今没有发现CPT破坏的现象。CPT守恒也是规范场论框架内可以证明的定理。宇称不守恒和CP破坏分别荣获1957年和1980年的诺贝尔奖。发现一个小小的不对称就发一个奖,可见不对称是多么地不容易。

 

宇称不守恒,譬如一个人左眼大右眼小,这一点不对称之不美,物理学家也就忍了。可是搞一个“惰性中微子”出来,好象一个美女,左手五个手指头,右手非说她长了六个,怎么看怎么别扭。因此很多人不喜欢,不相信,台上不说,台下嘀咕说LSND的人做错了。LSND的人很不高兴了,不信我?那我再做一个给你看看。费米实验室的MiniBooNE实验目标就是“验证或否定LSND实验的结果”。2007年MiniBooNE发表了结果,虽然低能部分有点不能解释,但不得不承认,没有看到类似LSND的振荡。折腾了十年,证明自己做错了,心有不甘哪。对称美的卫道士们可以偷笑了。且慢,LSND用的是反中微子,MiniBooNE用的是正中微子。原来之所以运行正中微子,是因为质子打靶更容易打出正中微子,数量比反中微子高3倍。如果是看振荡效应,正反中微子都应该一样,不一样就是另一个大问题了,而用正中微子时间只需要1/3。MiniBooNE争取到了继续运行,将聚焦磁铁电流反转,聚焦反中微子进行实验。又搞了三年,出事了。2010年MiniBooNE发表了反中微子的结果,说在2倍标准偏差下看到了类似LSND的振荡。这下不仅惰性中微子又回到了大家的视野,而且正反中微子还不一样,很热闹。一般粒子物理需要4倍标准偏差,即99.994%的概率才予以确认。2倍标准偏差还属于将信将疑的范围。

 

2倍标准偏差的“疑似”新现象在粒子物理中时有出现,象leptoquark、pentaquark,参见小文。只有一个也就算了,“反应堆中微子反常”也来凑热闹。2011年1月,法国人重新处理了20年前测的核素贝塔谱数据,说以前算的反应堆中微子流强算低了3%。以前总共做过十来个近距离的反应堆中微子实验,与以前的流强计算是一致的,没有看到振荡。按现在的中微子振荡知识,也不应该看到振荡。现在说原来流强算低了3%,也就是说原来的十来个实验都看到了反应堆中微子丢失,法国人称之为“反应堆中微子反常”,然后紧跟着又发了一篇文章,说需要“惰性中微子”才能解释。至此,中微子实验中,正常的基本没有,太阳中微子、大气中微子、加速器中微子、反应堆中微子,统统反常。不过,原来是理论与数据一致,过了20年,现在把流强往高里算,然后说反常了,总是透着点蹊跷。台上不好开口说,台下我是要犯嘀咕的。

 

今天MINOS发布的结果,是乱上添乱。正中微子的结果与超级神岗的大气中微子结果是符合得很好的,质量平方差是2.32x10-3 eV2。今天的反中微子结果则相差很远,拟合出来的质量平方差是3.36x10-3eV2,误差0.4左右。混合角也不一样。假如不存在振荡,MINOS应该看到156个事例;假如振荡规律与正中微子一样,应该看到110个事例;实际上看到了97个事例。正反中微子振荡有98%的几率不一样(也是2倍多标准偏差)。

 

如果MINOS的结果最终证明是对的,那么有可能有两种结果,一是存在“惰性中微子”,二是CPT不守恒。乱世出英雄,想当英雄的年轻人们、想拿诺奖的大侠们,心潮澎湃一会吧。



http://blog.sciencenet.cn/blog-296183-430035.html

上一篇:日本人平时注重核辐射锻炼
下一篇:信专家,不如信明星

14 刘全慧 陈学雷 杨华磊 刘颖彪 王涛 邢志忠 唐常杰 谢鑫 李泳 杨书华 呼延雪莹 卢宏超 魏亚东 vigorous

发表评论 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2018-6-23 02:53

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007-2017 中国科学报社

返回顶部