第四種微中子可能還沒出現

■物理學家之前看到了一些可能是第四種微中子存在的跡象。但是經過仔細研究之後,發現問題出在其他的地方。

(Courtesy: IHEP)

撰文|陳勁豪

根據粒子物理的標準模型,微中子一共有三種,分別是電子微中子、緲子微中子及濤微中子。微中子顧名思義就是質量微小而且不帶電荷的粒子,而且幾乎不與任何粒子作用也因此,微中子對物理學家而言是非常不容易研究的粒子,因為即便數量相當多,但是卻相當難偵測到。

部份物理學家認為在標準模型中的三種微中子之外,可能還存有稱為惰性微中子(sterile neutrino)的第四種微中子。這個第四種微中子目前僅存在於理論中,但是物理學家認為如果這個第四種微中子存在的話,儘管我們並不清楚這第四種微中子的性質,但卻可能在目前的實驗數據中看到蛛絲馬跡。

物理學家認為這個第四種微中子會由另外三種微中子轉變而成,也就是透過類似微中子震盪的方式產生。因此如果觀測到微中子的數量比預期要少,便有可能是出現第四種微中子的徵兆。

進行微中子實驗的一個絕佳的實驗場所是在核電廠附近。核電廠除了透過鈾的核分裂來發電之外,過程中也會產生大量的反電子微中子,因此也為微中子實驗提供了源源不絕的大量微中子。有趣的是,這種核電廠為微中子來源的微中子實驗都發現到了比預期較少一些的反電子微中子,而且都出現在特定的地方。因此這被一些理論物理學家認為是第四種微中子出現的徵兆。

不過對大亞灣實驗的物理學家來說,造成反電子微中子數量比預期更少的原因可能沒那麼複雜。他們注意到核電廠產生核分裂的時候,反應比過去所想像的更複雜。參與核分裂的元素起碼有鈾235,鈾238,鈽239,鈽241。每種元素都有各自不同的分裂情形,每個步驟也都會產生不同數量的微中子。一般情形下,實驗所測量到的微中子是由這四種元素的核分裂所產生,但是隨著燃料棒的生命週期改變,這四種元素的比例也會跟著改變,所對應到的微中子能量分佈也會跟著改變。

大亞灣微中子實驗最新的研究結果發現,測量到的反電子微中子數量與燃料棒中的鈾235數量有關,也因此,基本上排除了反電子微中子轉變成第四種微中子的可能性。

原始論文:
Evolution of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay

相關報導:

  1. Science 2017/04/06: Weird sterile neutrinos may not exist, suggest new data from nuclear reactors
  2. Physics World 2017/04/05: Flash Physics: Antineutrino anomaly not sterile neutrinos

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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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