中微子有多大?我们终于开始找到答案了

熟知外星君 2025-03-14 01:29:22

我们对中微子大小的估计范围从小于原子核到大约几米,但现在我们开始缩小其真实值的范围。

首次对中微子这一基本粒子大小的直接测量表明,它们至少比原子核大——但它们的大小可能也会达到原子核的万亿倍之多。

回答这个问题的部分难点在于,根据量子力学,粒子并非球形,而是本质上模糊的波,在穿越空间时移动并振动。物理学家通过观察粒子的波包来界定其边界,从而确定其大小。波包是一个区域,在此区域内波动强烈振动,而在超出该区域后迅速衰减。

对于中微子来说,测量其波包尤其具有挑战性,因为这些粒子很少与普通物质发生相互作用。到目前为止,我们只能间接计算波包的大小,估计范围跨越了13个数量级——从比原子核还小到大约几米,或者说是前者的10万亿倍之多。

如今,科罗拉多矿业学院的Joseph Smolsky及其同事首次直接测量了波包,发现中微子必须至少比之前最小估计大数百倍,这使得它们比典型的原子核还要大。

为了做到这一点,Smolsky和他的团队测量了放射性铍衰变成锂的过程,这一过程被称为电子俘获。当这种情况发生时,铍原子中的一个电子与其核内的一个质子结合,生成一个中子。这将铍原子转化为锂,同时释放出一个能量冲击,使原子沿某个方向运动,并生成一个中微子朝相反方向运动以平衡动量。通过将铍放置在高度灵敏的超导探测器中,并使用粒子加速器对其进行研究,他们能够非常精确地测量锂原子,并推断出中微子的特性。

研究人员发现,中微子的大小至少为6.2皮米,这比原子核大数百倍。“这有点令人惊讶,”Smolsky说道。“当我想到电子俘获过程时,我会想象它发生在原子核内,因为电子必须与原子核重叠。但我们的测量结果表明,中微子的大小实际上比它从原子核中释放出来时的核本身还要大。”

“从技术上讲,这是一个非常困难的测量,”德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学的Alfons Weber表示。“他们使用了一种非常巧妙的方法进行了精密测量,这种事情是我曾认为无法做到的。”

测量中微子波包的大小对于未来中微子探测器的建造至关重要,这些探测器需要能够精确测量中微子在三种不同类型之间转换或振荡的频率,Weber表示。

中微子的这种振荡是解答宇宙中为何物质多于反物质的关键,但只有当中微子的大小超过某个阈值时才能被精确测量。如果中微子太小,那么三种不同类型的中微子(它们各有不同的质量)就会溢出中微子波包的边界,从而干扰测量结果。

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