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EXO-200缩小了对马约拉纳中微子的搜索范围

2020/2/14 18:58:25 来源:女人丰胸网 来源:雅客丰胸网

EXO不仅是偶像团体,它还能推动前沿物理发展。国际物理学家合作组织发布了EXO-200(氙气饱和观测站)前两年的观测数据。这项观测实验旨在利用富含同位素的氙-136探测“无中微子双β衰变”这个过程的科学证据。尽管EXO-200还没有找到有关

EXO不仅是偶像团体,它还能推动前沿物理发展。


国际物理学家合作组织发布了EXO-200(氙气饱和观测站)前两年的观测数据。这项观测实验旨在利用富含同位素的氙-136探测“无中微子双β衰变”这个过程的科学证据。尽管EXO-200还没有找到有关衰变过程的任何统计学上的显著证据,但他们缩小了衰变半衰期的搜索区间。



图:EXO-200



科学家们同时表明,他们可以有效地抑制宇宙射线和放射性衰变产生的背景噪声。倘若在实验中观察到无中微子双β衰变的任何迹象,则表明该中微子是“马约拉纳费米子”(即反粒子就是其自身的费米子)。这将成为一类超越现有粒子物理学“SM标准模型”的新型粒子,无疑是现代物理学的重大突破。


中微子是由中子经过β衰变产生的无电荷的粒子,它们通过弱力与其他粒子相互作用。尽管我们现在有实验证据表明,中微子有三种类型——电子中微子,μ子中微子和τ子中微子——它们的质量各不相同,但是目前研究人员无法确定它们单个的质量。但是观测中微子双β衰变(假如它们被观测到了的话)可以用来确定单个中微子的绝对质量。



“衰”上加“衰”


无中微子双β衰变是普通核β衰变过程的特例:在这个过程中,不稳定的原子核中的中子发射电子和反中微子并变成质子。当原子核不通过单个β衰变的方式来进行衰变过程时,就会出现该过程的一个更奇特的版本,称为“双β衰变”。发生这种“双β衰变”的一种途径是发生两个“单β衰变”,但是科学家们没有办法测量两次衰变之间的中间状态,并且最终的核具有比原始核更大的结合能。



图源:sohu



根据SM标准模型预测,原子核中的两个中子将转换为一个质子和两个电子,并发射出两个电子反中微子-这被称为“双中微子双β衰变”。双中微子双β衰变非常罕见,这是由于双β同位素在1020年以上的超长半衰期,这比宇宙本身的年龄还长十亿倍。科学家们选取经历了这种双重β衰变同位素(于1986年首次观察到),其中包括氙-136,它随着两个中微子的发射而衰变成为钡-136。实际上EXO-200是第一个观察到在氙-136中发生了这种衰变的观测实验,该观测在2011年完成。



图源:baidu



但是EXO-200以及全球范围内的许多其他实验正在寻找另一种难以捉摸且目前尚未见到的无中微子双β衰变。这种衰减只有在中微子是马约拉纳粒子时才会发生,而这是由与双β衰变同样神秘的意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1930年代首次提出,至今仍未被发现。由于中微子不带电荷,因此可以想象它们是它们自己的反粒子。在这种情况下,一个在β衰变中释放出的反中微子可以作为另一个β衰变的中微子被吸收。从原子核外部观察这一过程只会发现两个电子被发射,而根本没有中微子的变化。这其中电子将携带衰变的所有能量,与普通的双β衰变截然不同(在普通的双β衰变中反中微子会带走能量)。该衰变过程实验上的特征是检测到两个电子,它们的总能量之和等于父核与子核之间的质量差。


没有发现中微子怎么办?


EXO-200实验利用200公斤液态氙来寻找这种衰变特征,该氙浓缩至同位素氙-136的80%,并记录在“时间投影室”中。该腔室放置在低温的恒温器内,使将氙气保持在液态温度下。随后这个低温恒温器用铅进行防护,并保存在美国新墨西哥州卡尔斯巴德市的一所废弃物隔离试验工厂地下641 m的废弃盐矿的底部。这个偏远的地下储存位置对实验的成功至关重要,因为它可以屏蔽背景放射性衰变和宇宙射线,并且实验过程中的探测器均由最低放射性污染水平的材料制成。


图:双β衰变



EXO-200实验已经进行了两年,为了给无微子β衰变的半衰期设定最精确的界限。研究人员发现,在置信度水平为90%(α=0.9)的情况下,半衰期大约大于1.1×1025年,比以前测定的1.6×1025年有所提高。这个合作组织表示,其测量的高灵敏度“可以使EXO-200更好地运行,并且使未来改进的[无中微子双β衰变]搜索的氙基实验‘nEXO’成为可能”。如此长的寿命表明中微子的质量可能较小。现在,最新的实验已将马约拉纳中微子的质量极限推定在0.2–0.4 电子伏特。 “nEXO”是一个更大的探测器,目前正在预计使用5000 kg氙气来进行未来的实验,而当前正在进行的EXO-200提供的数据将有助于完善其未来的设计。


图:SuperNEMO组织



伦敦大学学院的粒子物理学家戴维·沃特斯(David Waters)说,EXO-200“是一个执行得很完美的实验,也是目前运行中最精准的实验之一。尽管目前没有看到无中微子双β衰变的迹象,但是像EXO这样的实验越来越接近理想的的参数空间区域。”沃特斯同样也从事另一个类似的实验,即中微子-埃托雷·马约拉纳天文台(SuperNEMO)。他同样说道:“接下来的5年将是非常有趣的时期,EXO等多项实验如日中天,还有英国领导的SNO +和SuperNEMO等其他实验也在同时进行。有可能出现重大发现,从而可以更好地阐明粒子物理学中的一些非常基本的问题。”


参考资料


1.Wikipedia百科全书


2.天文学名词


3. Tushna Commissariat-米兰主教练德罗西


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