未解微中子之谜:质量来源、超乎模型预测的高能量

幽灵粒子“微中子”至今依然笼罩在重重谜团之下,科学家还在想它们的极微小质量从何得来、以及为何南极洲的2个微中子实验台的观测结果有出入。

微中子(neutrino)很奇怪,它们数量庞大,一场超新星爆发约产生约10^57个微中子,或者每秒钟可能有数十亿个微中子无声无息穿越你的身体,但它们不参与强交互作用以及电磁交互作用,甚至于你根本无法发现。

在最初的粒子物理标准模型中,微中子是种静质量为零的粒子,直到20年前,科学家才确认微中子具有质量,只是和其他粒子可以说微不足道,去年,科学家更首度界定出微中子的最大质量上限,比电子还要轻1,000万倍。

然而微中子从哪里得到质量?这是粒子物理学标准模型中最令人困惑的问题之一。

检测微中子又是另一大挑战,目前探寻微中子的设备并非直接检测微中子,而是等待微中子撞击探测器内(装满纯水)的原子,产生带电轻子如:电子、介子等,后者发出光,接着再通过检测光或轻子,我们才知道幽灵粒子微中子已经与探测器发生相互作用。

目前最好的微中子探测器之一是位于南极洲冰下的IceCube微中子观测站,由于冰层更容易吸收各种杂散粒子(如宇宙射线、伽马射线),可以避免敏感探测器被干扰,确保检测到的事件来自微中子。

不过除了IceCube,南极洲还有另一个利用氦气球悬挂在离地35,000米高空的微中子实验台,称为南极瞬态脉冲天线(ANtarctic Impulsive Transient Antenna,ANITA),利用另一种方式来探测微中子:当高能微中子撞击冰层后会发射出无线电脉冲(称为阿斯卡莱恩效应),

奇怪的是,ANITA探测到的微中子强度比IceCube检测到的还要高数百倍,按理说若有强大天体物理事件朝地球方向射出微中子流,则IceCube应该也能检测到相同事件,然而事实上,IceCube找不到与ANITA同时发生的微中子爆发事件。

科学家表示,这有2种可能性,一种是ANITA设计有缺陷而误报,另一种是这些高能微中子事件由标准模型之外的过程所引起,因为根据目前的粒子物理标准模型,没有办法产生如此高能量的微中子。

世界各地已经准备推出新一代微中子设备投入检测,包括美国的深层地底微中子实验(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)、日本的超巨型神冈探测器(Hyper-Kamiokande,缩写HK)、以及南极洲的精密冰立方微中子观测站(PINGU);理论方面,目前科学家也已完成缈子对撞机的关键实验,如果有朝一日打造出缈子对撞机,就能进一步分析微中子。

(首图来源:Flickr/Anthony RossCC BY 2.0)