中國(guó)科學(xué)家關(guān)于中微子質(zhì)量模型探測(cè)的研究，近日得到了世界上最大型的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室——?dú)W洲核子中心的特別關(guān)注。

　　大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中國(guó)合作組之一、北京大學(xué)高能物理CMS組李強(qiáng)團(tuán)隊(duì)對(duì)解釋中微子小質(zhì)量來(lái)源的“蹺蹺板模型”進(jìn)行了新的檢驗(yàn)，結(jié)果為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)挖掘打開(kāi)了新的窗口。

　　“難以捉摸”的質(zhì)量

　　中微子被認(rèn)為是自然界中最讓人好奇的粒子，科學(xué)家們執(zhí)著于揭示它的特性與質(zhì)量等“身世之謎”。

　　1934年，著名物理學(xué)家費(fèi)米將一種“類似于幽靈、能導(dǎo)致能量丟失的粒子”命名為中微子，其意為“小且中性的粒子”，以此區(qū)別于大質(zhì)量且中性的中子。

　　后來(lái)不斷有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，自然界至少存在3種形式的中微子，也稱3種“味道”：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，它們分別與帶電輕子(電子、繆子和陶子)對(duì)應(yīng)。

　　大約20年前，在中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)研究中，測(cè)量到一種“味道”的中微子自發(fā)地變成另一種“味道”的中微子，從而確定了中微子具有微小但非零的質(zhì)量。

　　盡管科學(xué)家們?yōu)闇y(cè)量中微子的質(zhì)量做出了最大的努力，但也只能確定中微子的質(zhì)量上限。目前最好的結(jié)果為德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國(guó)際氚中微子實(shí)驗(yàn)(KATRIN)給出的：中微子質(zhì)量小于0.8電子伏特。

　　在標(biāo)準(zhǔn)模型中，有一個(gè)“希格斯機(jī)制”——賦予粒子質(zhì)量，它還揭示了，不能被分解成更小成分的粒子可以通過(guò)與希格斯玻色子相關(guān)基本場(chǎng)的相互作用獲得其質(zhì)量，比如夸克和電子。

　　然而，中微子是一個(gè)例外，希格斯機(jī)制無(wú)法解釋它們的質(zhì)量，中微子的質(zhì)量起源仍然是個(gè)謎團(tuán)。

　　值得期待的“蹺蹺板”模型

　　1978年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者史蒂芬·溫伯格構(gòu)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，暗示存在非常大質(zhì)量的馬約拉納型中微子，而且這些中微子在目前可獲得的碰撞能量下無(wú)法被直接觀測(cè)到。

　　然而，這些馬約拉納型中微子可以與標(biāo)準(zhǔn)模型的中微子相互作用，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模型的中微子質(zhì)量很小但不為零，這也正如實(shí)驗(yàn)所觀察到的一樣。此外，這些馬約拉納中微子的質(zhì)量越大，標(biāo)準(zhǔn)模型中微子的質(zhì)量就越小，這一假說(shuō)被稱為"蹺蹺板模型"。

　　李強(qiáng)解釋，這種“蹺蹺板”模型，即把已知的輕中微子和假設(shè)的重中微子配對(duì)。在這個(gè)模型里，較重的中微子在“蹺蹺板”上扮演一個(gè)“大孩子”的角色，通過(guò)抬起較輕的中微子而使它具有較小質(zhì)量。不過(guò)，使用“蹺蹺板”模型是有條件的，即中微子是馬約拉納粒子——反物質(zhì)粒子是其自身。

　　不過(guò)，這種對(duì)非零中微子質(zhì)量起源的解釋又引發(fā)了另一個(gè)難題：今天人們所知的宇宙是如何幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成的，而幾乎沒(méi)有任何反物質(zhì)的痕跡。

　　李強(qiáng)團(tuán)隊(duì)測(cè)試研究了這一“蹺蹺板”模型。他們利用CMS探測(cè)器在2016年至2018年期間收集的LHC高能碰撞數(shù)據(jù)，通過(guò)一種可以稱為矢量玻色子融合的特殊過(guò)程來(lái)尋找產(chǎn)生的馬約拉納中微子。

　　“如果這個(gè)過(guò)程發(fā)生，碰撞事件將產(chǎn)生兩個(gè)具有相同電荷的μ子(電子的重質(zhì)量兄弟)，兩個(gè)總質(zhì)量較大且彼此相距較遠(yuǎn)的粒子噴柱，并且不產(chǎn)生中微子�！崩顝�(qiáng)說(shuō)。

　　期待更多數(shù)據(jù)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中信號(hào)事件的數(shù)量與本底過(guò)程非常吻合，沒(méi)有在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納中微子的跡象。不過(guò)，研究人員能夠?yàn)椤败E蹺板模型”中用于描述已知輕中微子和假設(shè)的重中微子之間的量子混合的參數(shù)設(shè)定新的邊界值。

　　CMS國(guó)際大型合作組認(rèn)為，這項(xiàng)最新的研究不僅改進(jìn)了之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且對(duì)溫伯格和馬約拉納的兩種假設(shè)作了約束，這些結(jié)果為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)挖掘打開(kāi)了新的窗口。

　　歐洲核子中心認(rèn)為，這些研究成果包括對(duì)質(zhì)量大于6500億電子伏特(650 GeV)的重馬約拉納中微子的邊界值探究，并且對(duì)質(zhì)量大于2萬(wàn)億電子伏特(2 TeV)直至25TeV的重馬約拉納中微子進(jìn)行了首次直接限制。

　　值得期待的是，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在4月22日已重啟成功，并將于今年夏天重新進(jìn)入對(duì)撞模式。

　　“我們正在準(zhǔn)備利用新的數(shù)據(jù)，繼續(xù)推進(jìn)蹺蹺板模型的探索，同時(shí)也將對(duì)變化的蹺蹺板模型(比如高維度算子結(jié)構(gòu))進(jìn)行研究�！崩顝�(qiáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

　　CMS裝置(來(lái)源：歐洲核子中心)

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　　https://home.cern/news/news/physics/cms-tries-out-seesaw