尋找暗物質的裝置,或能意外揭開中微子之謎?
2019年04月27日08:33
XENON1T裝置(圖片來源:XENON1T官網)
XENON1T裝置(圖片來源:XENON1T官網)

  來源:環球科學

  撰文 | 張華

  XENON1T是一個暗物質探測項目,其裝置位於意大利格蘭薩索國家實驗室的地下1400米處。雖然暗物質粒子尚未現身,但XENON1T卻取得了意料之外的發現。在本週《自然》期刊的一項研究中,XENON1T團隊發現了迄今為止最為罕見的事件:半衰期長達1.8x1022年,相當於萬億倍宇宙壽命的氙124衰變。這個意外發現,或許能為我們揭開中微子的性質之謎。

  很多時候,做物理實驗像守株待兔,兔子不一定會來……

  比如幾十年前,日本的小柴昌俊在日本神岡的一個廢棄的地下礦井裡,用3000噸純淨水和1000個直徑20英吋的光電倍增管探測質子衰變的信號。他們努力了很久,但神岡實驗沒有找到質子衰變。等得時間越長,越能確定質子的壽命,最後確定質子的壽命大於1033年。

  但是,守得雲開見月明。1987年,16萬光年之外的超新星爆發,小柴昌俊那幾千噸純淨水探測到了超新星中微子。因為這個貢獻,他在2002年得了諾貝爾物理學獎——這就是“來自16萬光年之外的禮物”。

  探測暗物質的實驗,也發生了類似的意外。

  尋找WIMP

  在意大利格蘭薩索國家實驗室(Gran Sasso National Laboratory),有一個探測暗物質粒子的項目——XENON1T。這個實驗室與日本神岡小柴昌俊當年的實驗室很像,也是很深的地下井,也需要用到很純的液體探測器。

格蘭薩索國家實驗室外景(圖片來源:wikipedia)
格蘭薩索國家實驗室外景(圖片來源:wikipedia)

  只不過,日本神岡用的是純淨水,而意大利的XENON1T用的是純度極高的液氙。氙(Xe)是一種惰性氣體,一般被汽車改裝者用做氙燈,氙燈可以亮瞎對面車道上的車主。這種惰性元素,是怎樣用來探測神秘的暗物質粒子的?

  需要強調的是,暗物質粒子的理論模型非常多,尋找暗物質粒子猶如在茫茫人海中找人。直到現在,我們甚至連暗物質的名字到底是什麼都不知道。有的人說暗物質叫WIMP,有的人說暗物質叫Axion……公說公有理,婆說婆有理。

  在眾多暗物質理論模型中,有一種質量在1GeV~1000GeV量級(作為對比,我們知道質子的質量接近1GeV)的候選暗物質粒子格外受物理學家青睞,這個粒子就是弱相互作用大質量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,簡稱WIMP)。

  上海交通大學物理與天文學院博士後張佳駿告訴《環球科學》記者:“WIMP是一類流行的暗物質候選者。在宇宙熱大爆炸模型中,隨著早期熾熱的宇宙逐漸膨脹並冷卻,暗物質粒子與其他粒子解耦合併且長期穩定留存到今天。只要暗物質粒子具有相當於弱相互作用的反應截面,或者說它可以參與弱相互作用,並且它們還比較重(靜質量大於1GeV),在廣泛的質量範圍內(從GeV直到TeV量級),都能自然地解釋現在天文觀測到的暗物質的密度。這就是WIMP得名的原因——參與弱相互作用並且質量大。而WIMP在熱大爆炸宇宙模型中對於宇宙暗物質密度的成功解釋就被俗稱為WIMP奇蹟。”

  可以看出,WIMP肯定比質子重,因此如果要讓它去撞一個原子核,假設這個被撞的原子核質量與WIMP差不多,那麼就可能發生彈性碰撞,可以把被撞的原子核加速到很高的速度。這個被撞的原子核獲得這些動能後可以運動起來,最後撞上別的物質而發光,科學家可以通過發出的光來推算WIMP的質量與其相互作用的截面。

  在具體的操作中,有一部分科學家就選擇了氙原子核作為被撞對象。氙是54號元素,實驗選用的是半衰期最長的同位素——氙124。氙原子核與WIMP的質量是接近的,因此可以“關公戰張飛”,而不是“關公戰螞蟻”,這看起來也許是一幕好戲。

  當然在質量比較小的暗物質粒子的理論中,比如所謂的軸子(Axion)質量就在μeV-keV量級,這個就不能去撞氙原子核來做實驗了,因為氙原子核對軸子來說太重了,軸子撞上去猶如“蚍蜉撼大樹”。

  液氙所要探測的,就是WIMP。

  XENON1T的實驗裝置位於地下1400米深,內部有一個裝有3.2噸液氙的巨形水槽。如果暗物質粒子WIMP存在,它的穿透能力極強,那麼WIMP可以穿到地下與水槽中的氙原子核碰撞,這種碰撞會產生獨特的發光信號,科學家希望捕捉到這一小概率事件。

XENON1T實驗裝置內部(圖片來源:XENON1T官網)
XENON1T實驗裝置內部(圖片來源:XENON1T官網)

  液氙意外衰變

  本來科學家認為,液氙是非常穩定的,它就好像守株待兔這個故事里的“株”靜靜等待暗物質粒子這個“兔”來撞擊它。

  但是,意外發生了。

  最近,在XENON1T合作組的科學家發現,兔子沒等到,株卻變了。

  在本週發表在《自然》雜誌上的一篇論文中,XENON1T的研究人員宣佈觀察到氙124的放射性衰變。氙124變成了碲124,原子序數從54號元素變成了52號元素。

  這事情是怎麼發生呢?簡單地說就是一個“電子俘獲”過程。

  電子俘獲在白矮星與中子星形成過程中非常常見,因為強引力的作用,原子核會俘獲電子,然後放出中微子。但是,在正常的環境下,如果沒有強大的引力加持,那麼原子核自發地俘獲電子的概率很低——我們也可以用反證法來看這個事情,如果這個概率很高,那麼我們人類就不會存在。人體的大部分是水,如果水分子裡的氫原子核自發俘獲核外電子,那麼就會變成中子。水分子裡的氧原子核如果自發俘獲電子,那麼就會變成在元素週期表上相鄰的氮或者碳。我們人類就會被“中子化”或者“碳化”。

  所以,自發俘獲電子,對液氙的原子核來說,也只是小概率事件。氙124的半衰期為1.8x1022年。

  不過,最近科學家發現了液氙原子核俘獲電子後發生衰變的現象。

  中微子性質之謎

  XENON1T實驗組的液氙一口氣居然俘獲了兩個電子。

  這事情就大了。

  我們知道,原子核是帶正電的,當它突然吸收兩個電子以後,原子核內的質子與電子會結合形成中子。這個過程發生以後,學術界有兩種看法。

  第一種看法認為原子核既然吃進兩個電子,它應該放出兩個中微子。這叫做“雙中微子雙電子俘獲”(2νECEC)。

  另外一種看法認為,原子核吃了兩個電子,但不會發出中微子,這叫做“無中微子雙電子俘獲”(0νECEC)。

2νECEC過程示意圖(圖片來源:XENON1T官網)
2νECEC過程示意圖(圖片來源:XENON1T官網)

  其中第一個看法是支援粒子物理的標準模型的,而第二個看法則是違反粒子物理標準模型的,這說明中微子是馬約拉納粒子——也就是說中微子的反粒子就是它自己。

  張佳駿說:“XENON1T實驗組的條件還是比較有限的,他們雖然沒有條件探測到中微子,但他們有很多光電倍增管,可以探測到這個過程中的X射線與俄歇電子激發的光信號。從光信號的能量分析來看,他們支援的是第一種看法,也就是說他們認為已經有中微子釋放出去了。”

  從物理圖像上來看,只有當兩個電子恰好在正確的時間同時緊靠原子核時,才會發生雙電子俘獲,這是“一種罕見的現象再乘以另一種罕見的現象,使它最後變得極端罕見”。從費曼圖的角度來說,兩個中微子雙電子俘獲是一個二階弱相互作用過程,其概率極小,如果不是要大量的液氙,觀測到這種現象的時間遠超宇宙的年齡。

  到目前為止,只有兩種同位素氪78和鋇130出現了2νECEC衰變的跡象。而這個液氙實驗說明,氙原子核也可以發生2νECEC衰變。

  張佳駿表示,這次事件能確認氙發生了2νECEC衰變,不過目前還不能排除中微子是馬約拉納粒子的可能性:“不管中微子是不是馬約拉納的,2vECEC都是可以發生的;但只有當中微子是馬約拉納粒子時,才有可能發生0vECEC。因此,只有等待更強大的探測技術出現,才有可能給出定論。”

  這次實驗是一個意外,因為液氙的實驗本來不是為了探測中微子設計的,但在暗物質粒子WIMPS沒被找到的情況下,卻意外發現了液氙發生了2νECEC,這給大家一個啟發:在實驗中增加中微子的探測裝置,這或許不但能檢驗中微子到底是不是馬約拉納粒子,還可能測量出中微子的絕對質量。

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