格拉肖共振:诺奖得主60年前的预测被证实

2016年12月6日,一个来自遥远星系的粒子以接近光速的速度冲向地球,并抵达南极的冰层。这个粒子被称为反电子中微子, 能量高达6.3PeV(1PeV=10¹⁵eV)。在它抵达南极冰盖下的深处后,它撞上了一个电子,并产生一个具有质量的粒子,这个粒子迅速衰变成一系列次级粒子。

埋藏在南极冰川下的千米级“望远镜”——冰立方中微子天文台捕捉到了这次事件——这正是60年前就被预言的格拉肖共振事件

冰立方中微子天文台是一个由来自12个国家、53个机构的400多名科学家、工程师和工作人员运营的中微子观测站,它利用嵌在南极冰层上的数千个传感器,探测几乎无质量的中微子。图中显示的是在极光背景下的冰立方实验室,其中发着蓝光的细长部分代表观测到的格拉肖共振。| 图片来源:冰立方合作组

1960年,正在从事博士后研究工作的谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)在一篇论文中预言到,一反中微子可以与一个电子相互作用,当这个反中微子的能量恰好适当的话,它与电子的相互作用就能通过一个共振过程而产生一种当时尚未被发现的具有质量的粒子。

当时尚未被发现的粒子就是W⁻规范玻色子根据标准模型对其质量的精确预测为80.379GeV,要在实验室中创造W⁻玻色子需要将质子和反质子以最高450GeV的能量撞击在一起。这正是1983年超级质子同步加速器所能够做到的,这一成果也让欧洲核子研究中心(CERN)的物理学家赢得了第一个诺贝尔奖。

格拉肖是在1979年获得的诺贝尔物理学奖,以表彰他在构建标准模型所做的贡献。正如前文所提到的,他在60年代时,便提出了另一种创造W⁻玻色子的方法。在一篇论文中,他表示β衰变的逆过程可以通过电子中微子撞击电子产生,当入射中微子的能量刚好高到足以在产生W玻色子时,就会产生共振

不过在当时,他所预计的W⁻玻色子的质量比实际质量要轻得多,并认为这个数值不会大于质子质量。因此他估计所需的反中微子能量只需要约0.9TeV。而最终的事实证明,W⁻比预计的要重80多倍,因此撞击电子的 反中微子需要具有6.3PeV的能量这几乎是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机所能产生的能量的1000倍——地球上的任何人造粒子加速器,无论是已存在的还是正在计划中的,都无法创造出具有这么大能量的中微子。

幸运的是,虽然地球上的加速器无法做到,但宇宙中却存在着自然加速器。例如,星系中心的超大质量黑洞和一些其他极端宇宙事件都能以某种方式加速粒子。正因如此,也就有了我们在开头提到的事件。

3月10日,研究人员将这次的探测结果式发表在了《自然》杂志上。

这一发现表明,科学家已经可以探测到明显来自地外的单个中微子事件,它再次证实了粒子物理学的标准模型,并展示了冰立方所拥有的探测潜能

2011年5月开始全面运作以来,冰立方已经发现了数以百计的高能中微子,以及几十万个由宇宙射线在地球大气层中产生的中微子,为粒子天体物理学带来了许多重要结果。在2013年,它发现了宇宙高能中微子;在2018年,它识别了第一个天体物理高能中微子源。它能够以极高的精度测量中微子振荡,并能灵敏地对超高能的相互作用进行探测。

这次所探测到的格拉肖共振事件就是能量极高的一次探测,它是冰立方探测到的第三次能量大于5PeV的事件。这是令物理学家和天文学家无比兴奋的发现,它开启了中微子天文学的新篇章。过去的研究由于灵敏度的缺乏,而无法测量中微子和反中微子之间的区别,而新的结果则开始从中微子流中区分反中微子,完成了对天体物理学的中微子流中的反中微子部分的首个测量。

为了确认探测结果,以及对中微子和反中微子之比进行决定性的测量,冰立方的研究人员希望看到更多的格拉肖共振。现在正在筹备中的冰立方探测器“冰立方二代”将使科学家们能够以一种具有统计学意义的方式进行这样的测量。相信在不久的将来,我们将收获更多关于这些有着超高能量的中微子的信息。

#创作团队:

文:小雨

#参考来源:

https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2021/03/icecube-detection-of-a-high-energy-particle-proves-60-year-old-theory/

https://www2.physics.ox.ac.uk/news/2021/03/10/icecube-detection-of-‘glashow-resonance’-proves-60-year-old-theory

https://www.physics.harvard.edu/icecube-Glashow-resonance

#图片来源

封面图:冰立方合作组

未经允许不得转载: » 格拉肖共振:诺奖得主60年前的预测被证实

评论 0

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址