40年怪誕預(yù)言被驗證：中微子50年后像激光一樣普及

物理學(xué)家預(yù)言了許多他們希望發(fā)生的現(xiàn)象，但在他們有生之年，這些現(xiàn)象可能都不會被發(fā)現(xiàn)。

例如，一名物理學(xué)家就認為，在一定條件下，普遍存在但難以探測到的中微子(一種粒子)將能使整個原子核發(fā)生振蕩。考慮到探測這種現(xiàn)象的難度，他本人認為提出這樣的想法就夠蠢了。

但40年后，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

美國橡樹嶺國家實驗室SNS實驗

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種探測“相干中微子-原子核碰撞”的全新方法。早在上世紀(jì)70年代，一名物理學(xué)家就預(yù)言了中微子相互作用的可能性，一些人認為，這一發(fā)現(xiàn)將為未來像科幻片一樣利用中微子奠定基礎(chǔ)，也有人則持更謹慎的態(tài)度。但有一點是確定無疑的：物理學(xué)家認為這一結(jié)果令人激動。

伊利諾伊州費米實驗室物理學(xué)家胡安·埃斯特拉達(Juan Estrada)在郵件中表達了自己的激動。埃斯特拉達也在從事這方面研究，但并未參與這次研究。

根據(jù)物理學(xué)定律，粒子間存在4種基本力：引力、電磁力、弱相互作用力、強相互作用力。中微子是一種特殊類型的粒子，只通過引力和弱相互作用力與其他粒子相互影響，在目前條件下，這兩種作用力的探測相當(dāng)困難。中子——原子核中的兩種粒子之一，會發(fā)生被稱作β衰變的弱相互作用，在衰變?yōu)橘|(zhì)子的同時釋放出一個中微子和一個電子。

目前，物理學(xué)通過與上述過程相逆的過程探測中微子。一個中微子轟擊一個質(zhì)子，就可能引起反β衰變，生成一個電子和一個中子，電子生成的閃光會被探測器探測到。但是，這類反β衰變本身很稀少，要捕捉到它要求使用大量液體。

麻省理工學(xué)院退休理論物理學(xué)教授丹尼爾·弗雷德曼(Daniel Freedman)，是在1974年預(yù)言另外一種不同中微子相互作用的物理學(xué)家之一。他認為，除與質(zhì)子相互作用外，中微子還能與整個原子核相互作用。

這個過程的能量很低，因為中微子只能通過弱相互作用力產(chǎn)生微弱的碰撞，但這種相互作用要多得多，因為原子核的尺寸要遠大于質(zhì)子。它將使利用尺寸小得多的探測器探測中微子成為可能，而且只需不到5萬噸水。

科勒COHERENT探測器模型

但弗雷德曼指出，“我們的方案可能有些狂妄自大，因為不可避免的相互作用率、分辨率和背景噪聲會給中微子-原子核彈性散射實驗帶來重大困難。”換句話說，他認為這種相互作用過于微弱和稀少，探測難度極大。

40年后，美國橡樹嶺國家實驗室一個物理學(xué)家團隊證明弗雷德曼是正確的。卡弗里理論物理研究所物理學(xué)家胡安·科勒(Juan Collar)表示，“確實，這并非是不可能的。”

這次研究取得成功要歸功于特殊實驗設(shè)計和好運氣。橡樹嶺國家實驗室在進行一個名為“散變中子原”(以下簡稱“SNS”)的中子(不是中微子)實驗。在產(chǎn)生中子的同時，實驗還產(chǎn)生大量中微子。研究COHERENT的科學(xué)家就利用了這些中微子。

中子可能會影響信號，但研究團隊在20英尺(6.1米)混凝土墻后的地下室中發(fā)現(xiàn)一個位置，能夠屏蔽除中微子之外SNS發(fā)射出的其他粒子。杜克大學(xué)物理學(xué)家、COHERENT合作研究團隊發(fā)言人凱特·舒伯格(Kate Scholberg)表示，“能在SNS找到這樣一個位置，我們真的很幸運。我擔(dān)心我們會被中子殺死，事實證明我們的擔(dān)心是多余的。”

科勒表示，COHERENT實驗裝置從本質(zhì)上說就是一塊晶體，當(dāng)中微子轟擊晶格時，通過弱相互作用發(fā)生的相互作用會引起原子核振蕩，發(fā)射出可探測到的微弱光點。中子束脈沖時斷時續(xù)，可探測信號也會隨之起伏?？评照f，“我們知道中微子束何時出現(xiàn)，因為它每秒只發(fā)射60次。這對我們來說太重要了。”

實驗信號

舒伯格表示，除驗證40年前的理論外，這次實驗還為預(yù)言中微子活動的猜想設(shè)定了約束條件。科勒認為，這次研究最重要的應(yīng)用，是為未來更小的中微子實驗奠定了基礎(chǔ)，“也許未來50年后，中微子技術(shù)會普及，就像目前曾經(jīng)被認為屬于絕對高科技的激光一樣。”

其他科學(xué)家也對此激動不已——其他團隊在他們的實驗室探測同樣的現(xiàn)象。夏威夷大學(xué)物理學(xué)家約翰·格雷戈里·勒尼德(John Gregory Learned)說，“這次研究發(fā)現(xiàn)了一個獨特的過程——人人都認為存在、但卻難以被發(fā)現(xiàn)，這是一個巨大的成功。”但他呼吁對這一研究的前景持謹慎態(tài)度，目前認為其應(yīng)用相當(dāng)有限。

弗雷德曼也相當(dāng)激動，“我當(dāng)然非常激動，終于有人完成了我在1974年論文中提出的實驗。”