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宇宙中最“慢”的概念是什么呢？斯坦福物理學(xué)家給出了自己所認(rèn)為的“最慢的事件”。得益于美國EXO探索實驗得出的數(shù)據(jù)，有一種神秘的粒子活動從137.5億年前的宇宙大爆炸開始到現(xiàn)在，該試驗名稱縮寫為“2nubb”。其代表的是兩個中微子雙β衰變，這種衰變只存在于理論之中，是放射性元素在某種形式下具有的特性。 在兩個中微子雙β衰變類型中，兩個中子，中性亞原子粒子處于一個原子核中，這時候就是自發(fā)地衰變?yōu)閮蓚�質(zhì)子，兩個電子和兩個反中微子，而兩個反中微子，在物理學(xué)家眼中可認(rèn)為是微小的“反物質(zhì)雙胞胎”，而且?guī)缀鯖]有質(zhì)量，是一種非常神秘的粒子。 
圖1 粒子物理同樣是一個難題眾多的研究方向 就在幾天前，EXO中微子雙β衰變研究小組的科學(xué)家們在德國慕尼黑舉行的會議上宣布：根據(jù)他們的測量結(jié)果，通過對Xe-136元素兩個中微子雙β衰變的研究，發(fā)現(xiàn)其半衰期在2.11乘以10的21次方年，而Xe-136元素則是氙的同位素。而10的21次方年是一個什么樣的概念呢？研究小組的物理學(xué)家解釋說：其就相當(dāng)于是現(xiàn)在宇宙年齡的一千億倍。換句話說，宇宙的年齡還不如這個放射性同位素樣品通過兩個中微子雙β衰變途徑所對應(yīng)的半衰期的一個零頭。 斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家喬治格拉塔（Giorgio Gratta），他同時也是加州門洛帕克市斯坦福直線粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所粒子天體物理和宇宙學(xué)研究小組的成員，格拉塔認(rèn)為：這是我們在過去的測量研究中，所發(fā)現(xiàn)的最慢的標(biāo)準(zhǔn)模型。而標(biāo)準(zhǔn)模型就是科學(xué)家建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型最好的說明方式，可以解釋前文中，電子、質(zhì)子和中子結(jié)合在一起，以及為什么兩個中微子雙β衰變會處于首要地位。 在兩個中微子雙β衰變探索實驗中，科學(xué)家收集了七個光電二極管，通過大量的傳感器來檢測兩中微子雙β衰變，并推測其中還包含著其他的衰變。對此，物理學(xué)家喬治格拉塔同時也認(rèn)為：兩中微子雙β衰變是非常符合于標(biāo)準(zhǔn)模型之中，所以從這個意義上出發(fā)，這個觀測的方法并不令人感到意外。而實際上，這種形式的衰變，我們之前在其他元素上已經(jīng)觀察到。 即便如此，斯坦福大學(xué)物理學(xué)家研究小組的結(jié)論意味著這個發(fā)現(xiàn)比任何一個吉尼斯世界紀(jì)錄都來得更有價值。EXO 200探測器是第一個捕捉到Xe-136元素發(fā)生的兩中微子雙β衰變過程，而這個衰變的檢測結(jié)果是基于一個“非常干凈”的數(shù)據(jù)背景，科學(xué)家在得出這組數(shù)據(jù)前，排除了背景噪音的干擾，產(chǎn)生的穩(wěn)定的信號，為理論物理學(xué)家提供了寶貴的數(shù)據(jù)源，使他們能解決之前在計算和實驗結(jié)果之間產(chǎn)生的驚人費(fèi)解的差異性。 但是，關(guān)于Xe-136元素兩中微子雙β衰變的實驗還遠(yuǎn)未結(jié)束，我們目前獲得的僅僅是早期的結(jié)果。而EXO 200檢測研究小組還希望能找到另一個衰變的過程，這個衰變比兩中微子雙β衰變還要來得“空想”，因為這個衰變僅僅是理論上的，沒有人可以確定其是存在的，這就是被稱為“零中微子雙β衰變”，也可以稱為“無中微子雙β衰變”，即0nubb。科學(xué)家通過對該衰變的研究，可以測量中微子的質(zhì)量，而且我們現(xiàn)在還沒有這種衰變所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模型。 所謂的“零中微子雙β衰變”，在粒子物理上定義為兩個中子再次衰變成兩個質(zhì)子和兩個電子，在這個過程中，反中微子依舊是無處可尋的，但是，它們卻必須一直存在著。這是因為，必須有兩個反中微子進(jìn)行互相湮滅，這就像正電子和電子可以發(fā)生相互湮滅一樣，或者質(zhì)子和反質(zhì)子發(fā)生相互湮滅，這個現(xiàn)象會發(fā)生在任何一種粒子和它所對應(yīng)的反粒子相遇的情況下。換句話說，宇宙中為了發(fā)生“零中微子雙β衰變”（ 0nubb），中微子就必須擁有它們各自所對應(yīng)的反粒子。 這聽起來似乎有點兒奇怪，有點兒像反證法，從結(jié)論反推到條件。目前的粒子物理學(xué)中認(rèn)為，一個粒子都有存在其本身和反粒子的可能性，這個結(jié)論是由意大利理論粒子物理學(xué)家埃托雷馬約拉納（Ettore Majorana）于1937年所做的推測。埃托雷馬約拉納在中微子質(zhì)量上做了突出研究貢獻(xiàn)，并提出了馬約拉納方程式。根據(jù)埃托雷馬約拉納方法所推測出的粒子被稱為馬約拉納粒子，而如果這個粒子被發(fā)現(xiàn)是存在的，那么物理學(xué)家就應(yīng)該忙著去修改他們的標(biāo)準(zhǔn)模型了。物理學(xué)家喬治格拉塔對此解釋說：“零中微子雙β衰變”過程，我們一直試圖在尋找它，而且這個研究進(jìn)行了很長一段時間。 而在斯坦福直線粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所與EXO研究小組的眼中，“零中微子雙β衰變”確實是一個大問題。同時供職于這個兩個科研團(tuán)隊的科學(xué)家馬蒂布雷登巴赫（Marty Breidenbach）認(rèn)為: EXO200研究小組所進(jìn)行的試驗正在朝這個方向努力，而如何發(fā)現(xiàn)這個衰變過程，其中還蘊(yùn)藏著一個哲學(xué)道理，即一個物理過程幾乎不可能發(fā)生是由于這個過程的稀有性，而一個物理過程不可能發(fā)生是由于它的不存在性，所以，“零中微子雙β衰變”的答案就在這個兩個選項中產(chǎn)生。 斯坦福研究小組目前的策略是給“零中微子雙β衰變”提供更多的發(fā)生機(jī)會，如果是一個極小的概率事件，在龐大的試驗樣本前提下，也會提高它的發(fā)生概率。科學(xué)家在一個充滿200千克液態(tài)氙的檢測室中，細(xì)心地照料著試驗對象，即使氙不斷地富集，直到達(dá)到80%的Xe-136（雙β衰變同位素）水平。 研究小組為了能清楚地檢測到“零中微子雙β衰變”，甚至“兩中微子雙β衰變”的過程，不得不削減每個放射源。而整套試驗裝置則是由超純凈，無放射性材料制成，并且在斯坦福大學(xué)裝配運(yùn)輸?shù)耐局兄荒苓M(jìn)行卡車運(yùn)輸，不能進(jìn)行空運(yùn)，這是因為飛行會暴露在更多的宇宙射線下。最終運(yùn)輸?shù)叫履鞲缰菘査拱偷赂浇钠嫱咄呱衬囼瀳觯撗b置將被安裝在半英里深的鹽層地下，廢物隔離試驗工廠中，該處則是由美國能源部用于處理核廢料的儲存庫。 這樣。核廢料存儲庫的鹽層就會帶有核廢料的放射性，儲存庫外就會帶有宇宙射線以及衰變的痕跡，就可以通過EXO200檢測器探測到。科學(xué)家檢查初步的低背景結(jié)果顯示，EXO200還是處于工作狀態(tài)中。要想取得整個試驗的數(shù)據(jù)，這個過程還將持續(xù)幾年，可能是大于五年，而且還取決于另一個正在發(fā)展中的試驗，該試驗中使用了數(shù)噸的XE – 136元素。科學(xué)家馬蒂布雷登巴赫認(rèn)為：EXO200目前一直處于試點項目中，我們正在積極做好全面發(fā)展的準(zhǔn)備。 文/騰訊科技 |
