【中微子是暗物质吗】寻找暗物质的装置 或能意外揭开中微子之谜?

2019-12-28 - 中微子

XENON1T是一个暗物质探测项目,其装置位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。虽然暗物质粒子尚未现身,但XENON1T却取得了意料之外的发现。在本周《自然》期刊的一项研究中,XENON1T团队发现了迄今为止最为罕见的事件:半衰期长达1.8x1022年,相当于万亿倍宇宙寿命的氙124衰变。这个意外发现,或许能为我们揭开中微子的性质之谜。

中微子是暗物质吗

很多时候,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废弃的地下矿井里,用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管探测质子衰变的信号。他们努力了很久,但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长,越能确定质子的寿命,最后确定质子的寿命大于1033年。

中微子是暗物质吗

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探测到了超新星中微子。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”。

探测暗物质的实验,也发生了类似的意外。

中微子是暗物质吗

寻找WIMP

在意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory),有一个探测暗物质粒子的项目——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,也需要用到很纯的液体探测器。

格兰萨索国家实验室外景(图片来源: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,一般被汽车改装者用做氙灯,氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素,是怎样用来探测神秘的暗物质粒子的?

需要强调的是,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,我们甚至连暗物质的名字到底是什么都不知道。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。

在众多暗物质理论模型中,有一种质量在1GeV~1000GeV量级(作为对比,我们知道质子的质量接近1GeV)的候选暗物质粒子格外受物理学家青睐,这个粒子就是弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)。

上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉《环球科学》记者:“WIMP是一类流行的暗物质候选者。在宇宙热大爆炸模型中,随着早期炽热的宇宙逐渐膨胀并冷却,暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长期稳定留存到今天。

只要暗物质粒子具有相当于弱相互作用的反应截面,或者说它可以参与弱相互作用,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),都能自然地解释现在天文观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因——参与弱相互作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸宇宙模型中对于宇宙暗物质密度的成功解释就被俗称为WIMP奇迹。”

可以看出,WIMP肯定比质子重,因此如果要让它去撞一个原子核,假设这个被撞的原子核质量与WIMP差不多,那么就可能发生弹性碰撞,可以把被撞的原子核加速到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来,最后撞上别的物质而发光,科学家可以通过发出的光来推算WIMP的质量与其相互作用的截面。

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对象。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的质量是接近的,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”。

液氙所要探测的,就是WIMP。

XENON1T的实验装置位于地下1400米深,内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。如果暗物质粒子WIMP存在,它的穿透能力极强,那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核碰撞,这种碰撞会产生独特的发光信号,科学家希望捕捉到这一小概率事件。

XENON1T实验装置内部(图片来源:XENON1T官网)

液氙意外衰变

本来科学家认为,液氙是非常稳定的,它就好像守株待兔这个故事里的“株”静静等待暗物质粒子这个“兔”来撞击它。

但是,意外发生了。

最近,在XENON1T合作组的科学家发现,兔子没等到,株却变了。

在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中,XENON1T的研究人员宣布观察到氙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。

这事情是怎么发生呢?简单地说就是一个“电子俘获”过程。

电子俘获在白矮星与中子星形成过程中非常常见,因为强引力的作用,原子核会俘获电子,然后放出中微子。但是,在正常的环境下,如果没有强大的引力加持,那么原子核自发地俘获电子的概率很低——我们也可以用反证法来看这个事情,如果这个概率很高,那么我们人类就不会存在。

人体的大部分是水,如果水分子里的氢原子核自发俘获核外电子,那么就会变成中子。水分子里的氧原子核如果自发俘获电子,那么就会变成在元素周期表上相邻的氮或者碳。我们人类就会被“中子化”或者“碳化”。

所以,自发俘获电子,对液氙的原子核来说,也只是小概率事件。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俘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俘获了两个电子。

这事情就大了。

我们知道,原子核是带正电的,当它突然吸收两个电子以后,原子核内的质子与电子会结合形成中子。这个过程发生以后,学术界有两种看法。

第一种看法认为原子核既然吃进两个电子,它应该放出两个中微子。这叫做“双中微子双电子俘获”(2νECEC)。

另外一种看法认为,原子核吃了两个电子,但不会发出中微子,这叫做“无中微子双电子俘获”(0νECEC)。

2νECEC过程示意图(图片来源:XENON1T官网)

其中第一个看法是支持粒子物理的标准模型的,而第二个看法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实验组的条件还是比较有限的,他们虽然没有条件探测到中微子,但他们有很多光电倍增管,可以探测到这个过程中的X射线与俄歇电子激发的光信号。从光信号的能量分析来看,他们支持的是第一种看法,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,只有当两个电子恰好在正确的时间同时紧靠原子核时,才会发生双电子俘获,这是“一种罕见的现象再乘以另一种罕见的现象,使它最后变得极端罕见”。从费曼图的角度来说,两个中微子双电子俘获是一个二阶弱相互作用过程,其概率极小,如果不是要大量的液氙,观测到这种现象的时间远超宇宙的年龄。

到目前为止,只有两种同位素氪78和钡130出现了2νECEC衰变的迹象。而这个液氙实验说明,氙原子核也可以发生2νECEC衰变。

张佳骏表示,这次事件能确认氙发生了2νECEC衰变,不过目前还不能排除中微子是马约拉纳粒子的可能性:“不管中微子是不是马约拉纳的,2vECEC都是可以发生的;但只有当中微子是马约拉纳粒子时,才有可能发生0vECEC。因此,只有等待更强大的探测技术出现,才有可能给出定论。”

这次实验是一个意外,因为液氙的实验本来不是为了探测中微子设计的,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,这给大家一个启发:在实验中增加中微子的探测装置,这或许不但能检验中微子到底是不是马约拉纳粒子,还可能测量出中微子的绝对质量。

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