理论预言43年后，中微子可以撞击原子的证据终于出现了

2017-08-05 13:15 来源:麻省理工科技评论

原标题：理论预言43年后，中微子可以撞击原子的证据终于出现了

中微子算一个“个性”极强的粒子界“老炮”，以极不情愿与其他物质相互作用而著称。虽然有可能构建探测它们的硬件，但问题是，为了给中微子提供足够的物质与之进行相互作用，这些探测硬件往往需要建造的非常巨大。这些相互作用也是通过能量的形式来改变粒子的特性（例如，atv，将质子通过能量衰变转变成中子）。

由于中微子的低质量与几乎拒绝相互作用的特性，利用粒子碰撞的方法来探测它或许看起来十分的可笑。不过，来自美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)的科学家证实了这一方法的可行性，他们已经观测到了短暂的闪光，这些光产生自中微子轻轻推动原子的过程。研究成果发布在8月3日的《Science》上。

橡树岭国家实验室拥有部分散裂中子源(the Spallation Neutron Source)。研究者设想，散裂中子源装置可以用来加速质子束使其撞入水银槽(汞)，当撞击重核的汞时，由于重核的不稳定性使得汞裂出含有许多中子的“碎片”发散到四处，其中产生出来的中子正是许多科学研究需要的，同时，这些“碎片”中还包含了一些碰撞引起的粒子喷射中丢失的中微子。

既然已经有了如何探测中微子的想法，研究者就开始在建筑物中放置各种探测器，来寻找一个尽可能少的接收中子的区域。研究者想到了这样一个区域，这个区域与水银槽被大量的混凝土和砾石阻隔开来，说白了，就是地下室的走廊，不过现在被称为“中微子的小巷“。这个地下走廊还被安置了许多的水槽来阻隔中子和来自环境中的诸如宇宙射线的其他粒子，总之就是为了获得较纯的中微子。

在此之前，我们发现的中微子相互作用都涉及到中微子撞击靶材触发某种粒子转变。类似地，我们期待看到中微子撞击原子核，给其一个轻推力。更专业的说是，我们希望看到中微子通过与原子核的某个夸克交换一个Z玻色子(负责传递弱核力的基本粒子)来将它的一些动量传递给原子核，随后使得原子核以激发光子的方式来释放掉这部分动量产生的能量。这种相互作用在43年前就被提出，但仍未在实验上被发现。

如果满足以下条件的话，这种相互作用会变得更有可能实现：第一，能利用诸如橡树岭实验室的设备得到相对能量更低的中微子。第二，能够得到一个较大的原子核以供中微子撞击。针对上述的两个条件，研究团队采用了碘化铯作为探测物质。这两种元素的相对质量较重且相近，因此经过与中微子的相互作用之后所激发出的光子能量也相近，这样就确保了单个探测体就能够捕获所有的与中微子的相互作用。他们将14.6千克的碘化铯放置在水银槽下面的地下室走廊，然后通过安装在侧面的光电探测器来捕获与中微子相互作用发射出的光子。由此，团队获得了长达一年多时间的数据。

图丨对比实验图，光子的增多反映中微子和原子发生了相互作用

中子源给研究者提供了非常好的实验对照。由于质子是以脉冲的方式撞击汞的，所以，研究者可以得到脉冲间隙的数据，同时也可以得到刚过脉冲后的数据。通过比较两组数据，研究者可以看到数据间的差异。在质子脉冲撞击水银槽后的会出现数据上的一些略微极端不同，一个月里大概有9次，这样的情况与粒子标准模型的预测是一致的。如果没有观测到中微子相互作用的话，那么就会有将近7个标准偏差不同于研究者的期望。

所以，在理论预言的43年后，终于有实验证明中微子可以撞击原子。

图丨橡树岭国家实验室