【物理研究】在南極尋找第四種微中子

■物理學家利用位於南極的 IceCube 實驗尋找第四種微中子:惰性微中子(sterile neutrino),不過目前為止尚未被發現。

(Courtesy: Jamie Yang, IceCube Collaboration)
(Courtesy: Jamie Yang, IceCube Collaboration)

撰文|陳勁豪

在目前的粒子物理標準模型中,微中子屬於輕子(lepton)的一部分,一共有三種風味(flavor):電子微中子,渺子微中子還有濤微中子。過去的實驗驗證也確認了在標準模型的架構下,的確只有三種微中子。這三種微中子共同的特性就是質量極小但不為零,所以根據量子力學,微中子的風味有一定的機率改變成另一種的風味。這就是所謂的微中子震盪,而發現這個現象的兩位物理學家也因此獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。而微中子儘管是宇宙中含量第二多的基本粒子,但卻是最難偵測到的一種,因為微中子幾乎不與任何物質作用,同時不帶電荷,所以對實驗物理學家來說是最難測量的粒子。也因此,微中子實驗的共同特性就是體積龐大,希望能夠以量取勝來增加看到微中子的機會。

但是為了解釋其他的物理現象,例如暗物質的存在,除了這三種微中子外,理論物理學家在標準模型的架構之外又提出了第四種微中子:惰性微中子(sterile neutrino)。這種惰性微中子只與重力發生反應,所以比標準模型的微中子更難被偵測到。但是如果這種惰性微中子存在的話,將可能成為宇宙中暗物質的主要候選人。物理學家設計了許多實驗試著要尋找惰性微中子,但是一直沒有找到。

位於南極極點的 IceCube 實驗是一個用來偵測高能宇宙微中子的實驗,能量約是 \ 10^{12}eV -10^{15} eV 之間。這個實驗將南極的冰層鑽了86個孔,並將5160個光電倍增管放在兩千公尺深的冰層之下,總體積大約有一立方公里。當高能宇宙微中子打進南極的冰層時,會放出會放出切侖可夫光。由於南極的冰相當乾淨,所以這些光子可以在冰中順利前進,而五千多個光電倍增管就是用來偵測到這些光子,以尋找宇宙微中子。2013年 IceCube 宣佈首次偵測到來自宇宙的微中子的存在。

如果惰性微中子存在於宇宙之間的話,而且具有質量,那麼惰性微中子有可能也會與三種標準模型的微中子一起發生微中子震盪的效應,也就是說我們看到的三種標準模型的微中子的數目可能會與預期不同,因為可能有部份會因為微中子震盪而轉變成為惰性微中子。IceCube就是利用這個概念,尋找渺子微中子轉變成為惰性微中子的可能性。他們利用2009到2012所取得的數據進行分析,結果發現渺子微中子的數量與預期相同,並沒有看到微中子震盪而轉變成為惰性微中子的現象,並為惰性微中子可能的性質設下了限制條件。

儘管IceCube並沒有完全去除惰性微中子存在的可能性,但是這次的分析已經大幅減小了惰性微中子存在的可能性。配合其他實驗的結果,理論物理學家可能需要重新檢討惰性微中子存在的可能性,甚至要考慮拋棄這個理論。

 

原始論文:Searches for Sterile Neutrinos with the IceCube Detector
相關報導:IceCube's search for sterile neutrinos draws a blank

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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