10大最有可能撼动物理学未来的实验
文章来源:BALAB | 作者:编辑部 | 发布时间:2017-03-28 | 2704 次浏览 | 分享到:


另外,在意大利格朗萨索国家地下实验室内进行的XENON暗物质计划团队也将继续建造新的探测器并提高其灵敏度。与此同时,欧洲研究协调机构(EURECA)也计划让几个已经看见过或许是暗物质信号的研究团队携手合作,以便最终揭开暗物质的神秘面纱,建立欧洲在粒子物理学的研究地位。



GERDA和MAJORANA:搜寻反中微子

尽管标准模型取得了巨大成功,但其并非固若金汤,小小的中微子就让它溃不成军——标准模型认为,中微子应该没有质量,但我们现在都知道,中微子其实有小小的质量。所以,对中微子的进一步研究或许会让科学家们进一步攻破标准模型的防线。


“无中微子双β衰变”实验或许有助于解释标准模型试图解释的问题:为什么宇宙由物质组成?标准模型预测,在整个宇宙大爆炸期间,制造出来的物质和反物质应该一样多,但由于这两种物质形式相遇后会相互湮灭,所以,宇宙应该充满了“无”,但实际情况是,宇宙充满了很多物质。


当原子核内的一个中子自发衰变成一个质子和一个电子,并在这一过程中释放出一个反中微子时,就发生了β衰变。但这一过程或许会发生稍许变化:一个中子吸收一个中微子并变成一个质子和一个电子。而“无中微子双β衰变”则是一种更罕见的情况:第一种情况下产生的反中微子被第二种情况下产生的中子吸收。


但只有在中微子是其自己的反粒子时,“无中微子双β衰变”才能发生。目前还没有人知道这是否是真的。如果情况的确如此,那么,在早期宇宙中,中微子衰变产生的物质粒子可能会比反物质粒子多一点,从而解释为何宇宙中物质比反物质多。


目前,有几项旨在确认中微子是否就是自己的反粒子的试验正在如火如荼地进行,正在意大利格朗萨索国家实验室地下1.4公里深处操作的锗探测器阵列(GERDA)就是其中之一。2013年9月份,GERDA公布了第一批研究结果,结果表明,新研究没有发现任何支持“无中微子双β衰变”的证据。当然,这个结果并不能证明这种衰变不可能,只能说迄今为止,这种事件几乎还没有被观测到过。与此同时,美国的马约拉纳(MAJORANA)和加拿大萨德伯里的中微子观测站(SNO)也试图厘清“无中微子双β衰变”这一过程的细节。他们有望在接下来的十年内获得答案。



短期中微子震荡BoreXino实验:或许会发现惰性中微子


物理学家莫里·古德曼说:“中微子比我们想象的更加复杂。”最近的一个例子是中微子反应器异常。2011年的分析表明,很长时间以来,科学家们一直遗漏掉了探测核反应堆中的小部分中微子。实际上,科学家们第一次发现中微子,是1956年使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到这些粒子,物理学家弗雷德里克·莱因斯因此还荣膺1995年的诺贝尔物理学奖。


所以,现在,科学家们需要进行试验以查看核反应堆流出的中微子。日本的CeLAND和意大利国家核物理研究院(INFN)进行的投资高达35亿欧元的短期中微子震荡BoreXino实验(SOX)正在这样做。


最终的结果可能会非常有趣,因为这些实验有望发现新的中微子类型:“惰性中微子”。目前广为人知的三种中微子会通过已知的四种力中的两种(重力和弱作用力)相互作用,然而,惰性中微子仅仅通过重力来向其他粒子宣告它的出现。鉴于重力是弱作用力,中微子的质量微乎其微,所以,探测到惰性中微子实际上是一个非常困难的任务。


“IceCube(冰立方)中微子天文台”:探测高能中微子


“IceCube中微子天文台”是科学家们迄今设计的最疯狂的观测台之一,其位于南极洲约2.4公里深的冰层下1立方公里的冰块内,由86根装备了传感器的电缆所组成,每根电缆包含有60个光学传感器,这5160个传感器的使命就是搜寻太阳系和我们所在的星系外的中微子。


2010年,“IceCube中微子天文台”竣工。2012年,其发布了首个观测结论。尽管这一观测台的初衷是帮助科学家们回答宇宙深层次的问题,但其发现让人更加困惑。按照道理来说,这一天文台应该可以看见很多中微子在其面前鱼贯而过,但实际上很少。


2012年4月,该天文台探测到两颗能量约为1千万亿电子伏特的中微子,这是科学家自1987年(这一年,天文学家首次探测到来自与我们的银河系为邻的大麦哲伦云内一颗超新星内的中微子)以来首次确定探测到来自于太阳系外的中微子。科学家们将其命名为“伯特”和“厄尼”(电视剧《芝麻街》中的人物),其能量为1987年观测到的中微子的100万倍。2013年,科学家们发现了一颗能级更高的中微子,并将其命名为“大鹏(Big Bird)”。


这样的高能中微子被认为在一些极度狂暴的天体事件(比如伽马射线爆发等)中形成。尽管天文学家们在其他观测台上探测到了伽马射线爆发,但IceCube中微子天文台并没有看到任何中微子粒子。


夏威夷大学的物理学家约翰·勒尼德说:“迄今为止,还没有好的模型可以解释这一发现,实际上,我们喜欢这种情况,因为这意味着,我们的假设真的在某处出了错。”


IceCube中微子天文台将继续收集数据,但其目前得出的结论表明,我们或许需要建造一台更大的中微子望远镜(或者我们需要更多时间)。也有科学家认为,覆盖南极洲罗斯冰架1000立方公里范围的阿里亚娜(ARIANNA)天文台,或许能够探测到更高能量的中微子。



长基线中微子实验:探测中微子振荡


为了真正解决与中微子和未来可能出现的新粒子有关的问题,美国物理学家们希望制造“长基线中微子实验(LBNE)”。这一设备位于南达科他州一处煤矿中,能够探测到距离此地1300公里远的费米国家实验室发出的中微子束。


科学家们试图通过这一实验,探测三种不同类型的中微子之间的振荡,从而发现与中微子的性质有关的信息。另外,LBNE也将回答“惰性中微子究竟是什么”这一问题。但不幸的是,这一项目的成本可能高达15亿美元。随着美国不断压缩科研开支,能源部要求物理学家们重新提供一些比较廉价的计划来代替。


不过,这一领域的很多科学家乐观地认为,资金问题会在未来几年内得到解决。或许,在接下来的十年内,LBNE这样的探测器会被成功建造并帮助科学家们解答问题及提供更多需要他们去探索的线索。


LHC的继任者:将产生更多希格斯玻色子


LHC找到且只找到了希格斯玻色子,它没有发现任何一个奇异的粒子,比如我们所猜想的已知粒子的“重量级”伙伴——超对称粒子。这些粒子也许依旧在那里,只是因为太重了,以至于LHC也有心无力,所以,科学家们开始对LHC进行升级。如果一切按计划行事,那么,到2020年,升级后得到的高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)将成为科学研究的助推器。


高亮度大型强子对撞机将会显著增加对撞质子的能级,达到30万亿电子伏特,为LHC目前最大对撞能级(7万亿电子伏特)的三倍多。不过,这与美国于上世纪90年代中期因故“夭折”的超导超级对撞机(SSC)相比还是相形见绌,SSC将能达到40万亿电子伏的能量。


加州理工大学的粒子物理学家玛利亚·斯皮罗普鲁说:“从这么庞大的机器那儿收集数据将成为一个巨大的挑战”。而且,科学家们也将不得不学会如何更好地对实验中的蛛丝马迹进行分析,从而发现极端罕见的事件。