一个追踪“新物理”中微子的国际研究团队，对照理论家提出的标准模型扩展研究了与中微子探测相关的所有相关实验数据。最新分析是第一次有如此全面的报道，显示了右手中微子探索者面临的挑战规模，但也带来了希望的火花。在所有已观测到涉及中微子的过程中，这些粒子都表现出一种被物理学家称为左手性的特征。右手中微子，这是标准模型最自然的延伸，无处可见。
那么是为什么呢？包括克拉科夫波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)在内的一个国际物理学家小组进行的最新、极其全面的分析有助于回答这个问题。来自所有相关实验的数据，直接和间接用于中微子探测，第一次被包括在内，并与标准模型各种理论扩展施加的参数范围进行了核对。第一个亚原子粒子，电子，是在120多年前才被观察到。从那时起，物理学家们已经发现了一大堆这样的东西。
自然界建筑砖的丰富性是基于这样的假设来解释：即世界由六种大夸克组成，而更不用说质量更轻的轻子也有六种。轻子包括电子、µ子(质量是电子的207倍)、τ(质量是电子的3477倍)和相应的三种中微子。中微子与其他物质的相互作用极差，中微子还显示出对现代物理形态特别重要的其他特征。最新研究发现，这些粒子会振荡，也就是说，中微子不断地从一种类型转变为另一种类型。
中微子应该有质量
这种现象意味着观测到的中微子一定有一个质量(虽然很低)。与此同时，标准模型（一个非常精确地描述亚原子粒子的现代理论工具）表明：在标准模型框架内，中微子不能有任何质量！理论和经验之间的这种矛盾，是支持未知亚原子粒子存在的最有力迹象之一。然而，中微子的质量并不是中微子唯一令人费解的性质。物理学家通过观察各种粒子的衰变产物，并将记录的结果与理论预测相比较，来了解中微子的存在。
事实证明，在所有表明中微子存在的情况下，这些粒子的自旋度总是相同的1/2，即它们是左手性的。这很有趣，因为其他物质粒子可以有正负自旋。但没有右手中微子可见！如果它们不存在，那为什么会这样？如果它们存在，它们藏在哪里？现在一个国际物理学家团队在《欧洲物理杂志C》期刊上发表的新研究更接近于回答上述问题。
来自IFJ PAN、欧洲核子研究组织(CERN)、卢万大学(比利时卢瓦恩-拉诺夫)、莫纳什大学(澳大利亚墨尔本)、明兴理工学院(德国)和阿姆斯特丹大学(荷兰)的科学家对十几个亚原子物理中最复杂的实验（包括一般性质的实验和直接致力于观察中微子的实验）收集的数据进行了迄今为止最准确的分析，而且研究人员并不局限于仅仅增加实验次数和处理的数据量。
在分析中考虑了理论家提出需要右手中微子存在假设过程的可能性，其中之一是与马约拉纳中微子有关的跷跷板机制。1937年，埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)假设物质粒子的存在是它自己的反粒子，这样的粒子不可能带电。因为除了中微子之外，所有的物质粒子都带电荷，所以新粒子可能是中微子。理论表明，如果马约拉纳中微子存在，也可能存在跷跷板机制。
迄今最准确的分析
这将意味着，当一个自旋度状态的中微子质量不是很大时，自旋度相反的中微子肯定有非常大质量。所以，如果左手中微子质量非常低，如果它们是马约拉纳中微子，在右手性中，它们肯定是大质量的，这就解释了为什么我们还没有看到它们。最新分析是使用专门的开源GAMBIT包进行，考虑了目前所有可用的实验数据和各种理论机制提供的参数范围。跷跷板机制本身意味着计算必须使用四倍精度的浮点数，而不是双精度的浮点数。
最终数据量达到60 TB，分析在速度很快的波兰计算集群普罗米修斯中进行，该集群由AGH科技大学的学术计算机中心Cyfront管理。波兰方面由波兰科学基金会和国家学术交流机构拨款资助的分析结果并不乐观。事实证明，尽管进行了多次实验，收集了大量数据，但可能的参数空间只被穿透到了很小程度。研究可能会在即将开始的实验中发现右手中微子。然而如果右手中微子藏在某个参数空间的最深处，可能要等上100年才能发现它们。
幸运的是，也有一丝希望，在可能与右手中微子有关的数据中，捕捉到了潜在信号的踪迹。在这个阶段，它是非常弱的，最终可能只是一个统计波动，但如果不是会发生什么呢？在这种情况下，一切都表明，在大型强子对撞机(LHC)的继任者，未来圆形对撞机(Future Circle Collider)上，有可能观测到右手中微子，但建设时间还很长，科学家们将不得不用极大的耐心等待，期待某一天能看到右手中微子。
博科园｜www.bokeyuan.net
博科园｜研究/来自：波兰科学院核物理研究所
参考期刊《欧洲物理杂志C》
DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-8073-9
博科园｜科学、科技、科研、科普
关注【博科园】看更多大美宇宙科学
扫码下载APP
科普中国APP
科普中国
科普中国
京公网安备11010202008423号