中國科學(xué)家關(guān)于中微子質(zhì)量模型探測的研究，近日得到了世界上最大型的粒子物理學(xué)實驗室——歐洲核子中心的特別關(guān)注。

　　大型強子對撞機中國合作組之一、北京大學(xué)高能物理CMS組李強團隊對解釋中微子小質(zhì)量來源的“蹺蹺板模型”進行了新的檢驗，結(jié)果為大型強子對撞機的數(shù)據(jù)挖掘打開了新的窗口。

　　“難以捉摸”的質(zhì)量

　　中微子被認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。

　　后來不斷有實驗證實，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)對應(yīng)。

　　大約20年前，在中微子振蕩的實驗研究中，測量到一種“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)果為德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國際氚中微子實驗(KATRIN)給出的：中微子質(zhì)量小于0.8電子伏特。

　　在標準模型中，有一個“希格斯機制”——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與希格斯玻色子相關(guān)基本場的相互作用獲得其質(zhì)量，比如夸克和電子。

　　然而，中微子是一個例外，希格斯機制無法解釋它們的質(zhì)量，中微子的質(zhì)量起源仍然是個謎團。

　　值得期待的“蹺蹺板”模型

　　1978年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者史蒂芬·溫伯格構(gòu)建了一個數(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法被直接觀測到。

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

　　李強解釋，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。在這個模型里，較重的中微子在“蹺蹺板”上扮演一個“大孩子”的角色，通過抬起較輕的中微子而使它具有較小質(zhì)量。不過，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，這種對非零中微子質(zhì)量起源的解釋又引發(fā)了另一個難題：今天人們所知的宇宙是如何幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成的，而幾乎沒有任何反物質(zhì)的痕跡。

　　李強團隊測試研究了這一“蹺蹺板”模型。他們利用CMS探測器在2016年至2018年期間收集的LHC高能碰撞數(shù)據(jù)，通過一種可以稱為矢量玻色子融合的特殊過程來尋找產(chǎn)生的馬約拉納中微子。

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

　　期待更多數(shù)據(jù)驗證

　　實驗數(shù)據(jù)中信號事件的數(shù)量與本底過程非常吻合，沒有在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)馬約拉納中微子的跡象。不過，研究人員能夠為“蹺蹺板模型”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國際大型合作組認為，這項最新的研究不僅改進了之前的實驗結(jié)果，并且對溫伯格和馬約拉納的兩種假設(shè)作了約束，這些結(jié)果為大型強子對撞機的數(shù)據(jù)挖掘打開了新的窗口。

　　歐洲核子中心認為，這些研究成果包括對質(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，并且對質(zhì)量大于2萬億電子伏特(2 TeV)直至25TeV的重馬約拉納中微子進行了首次直接限制。

　　值得期待的是，大型強子對撞機在4月22日已重啟成功，并將于今年夏天重新進入對撞模式。

　　“我們正在準備利用新的數(shù)據(jù)，繼續(xù)推進蹺蹺板模型的探索，同時也將對變化的蹺蹺板模型(比如高維度算子結(jié)構(gòu))進行研究�！崩顝姼嬖V《中國科學(xué)報》。

　　CMS裝置(來源：歐洲核子中心)

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