[新聞] 什麼可以解釋鎵異常？

什麼可以解釋鎵異常？ https://www.quantamagazine.org/what-could-explain-the-gallium-anomaly-20240712/ 物理學家已經排除了對蘇聯一項古老實驗的奇怪發現的普通解釋，留下了結果指向一種新的 基本粒子的可能性。 在高加索山脈深處，俄羅斯和格魯吉亞邊境，正在進行一項不尋常的實驗。在一座被岩石山 遮蔽的地下實驗室中，高放射性物質位於一桶液態鎵內，爆炸出稱為中微子的粒子，將鎵分 解成鍺原子。 目標是解決一個鮮為人知的物理學之謎：鎵異常。 「我認為這是當今中微子物理學中最引 人注目的異常現象之一，」德州大學阿靈頓分校的中微子物理學家本瓊斯說。大約三十年前 ，在目前實驗的前一個版本中，科學家首次發現了預期的鍺原子的缺乏，但目前仍無法解釋 。 從那時起，物理學家一直致力於排除可能解釋這種異常現象的錯誤測量或不準確的情況。現 在他們又消滅了一個。加州大學柏克萊分校的核物理學家Eric Norman及其同事宣布，一種 可能的解決方案，即對鍺半衰期的錯誤計算，不可能是原因。 「半衰期是正確的，」諾曼說。 “這不是鎵異常的解釋。” 這就留下了很少的可能性。一是一些仍然未知的實驗缺陷導致了異常。也許另一種錯誤測量 是把事情搞砸了，或者是對核物理的誤解。或者，也許，只是也許，這種異常現象顯示了一 項重大發現，即一種稱為惰性中微子的新型基本粒子的存在。惰性中微子最初被提出來解釋 為什麼三種已知中微子的質量如此之小，但它們也可以解釋至少一些填充宇宙的看不見的「 暗物質」。 「我們在實驗過程中找不到巨大的不確定性，」俄羅斯科學院核子研究所的粒子物理學家弗 拉迪斯拉夫·巴里諾夫（Vladislav Barinov）說，他在高加索地區從事這項實驗。 「這是 一種新型中微子嗎？我們不知道。 中微子村 在冷戰最激烈的時期，即 1989 年柏林圍牆倒塌和隨後蘇聯解體之前，一種不太可能的合作 關係以名為 SAGE（蘇美鎵實驗）的實驗形式出現。 「蘇聯擁有一群出色的理論科學家，」 參與該計畫的洛斯阿拉莫斯國家實驗室核物理學家史蒂文·艾利奧特 (Steven Elliott) 說 。但他說，他們缺乏資金，也無法獲得某些使 SAGE 成為可能的技術。 “洛斯阿拉莫斯能 夠提供這些類型的資源。” 在過去的半個世紀中，物理學家在俄羅斯高加索山脈巴克桑中微子觀測站的地下深處進行了 實驗研究中微子。在進行最佳實驗的實驗室中，魚充當了任何洩漏輻射的早期預警系統。 SAGE 是在巴克桑中微子觀測站建造的，這是一個中微子物理設施，建於 20 世紀 60 年代 和 1970 年代，位於俄羅斯巴克桑山谷的一座山內，距離格魯吉亞邊境約 3 英里。 13,000 英尺高的安德爾奇山使該設施免受宇宙射線和其他噪音源的影響，從而可以進行精確的中 微子實驗。 附近一個名為中微子村的住宅區居住著在該設施工作的科學家的家人，以及艾利奧特等來訪 的國際科學家。 「我確實出去旅行過很多次，」他說。 “我發現這是一次冒險。” SAGE 始於 1989 年，儘管俄羅斯政府試圖出售其鎵（一種在室溫下呈液態的貴金屬），但 它仍持續了 20 多年。該計畫旨在研究太陽中微子問題，即來自太陽的中微子的測量不足。 具體來說，科學家發現電子中微子（三種已知類型或「味道」之一）的短缺。這個問題最終 在 2000 年代得到解決，諾貝爾獎得主發現中微子在傳播過程中會在不同味道之間振盪。當 許多來自太陽的電子中微子到達地球時，它們已經變成了別的東西。 SAGE 使用了一個 57 噸鎵罐。傳入的電子中微子偶爾會與鎵原子內的中子結合，並將其轉 化為質子，從而將鎵轉化為鍺。科學家在長達一個月的萃取過程中對鍺原子進行了計數。艾 利奧特說，他們選擇鎵進行實驗，因為它「發生這種反應的閾值較低」。 1991 年，義大利 開始了一項名為 Gallex 的類似實驗。 Gallex 實驗於 1990 年代在義大利格蘭薩索國家實驗室進行，研究人員手持一種稱為正比 計數器的裝置，用於檢測鍺原子。 1990 年代中期，研究人員對這兩項實驗進行了調整，以使用放射性元素的中微子。他們希 望避免與太陽中微子問題相關的未知錯誤。但這兩項實驗產生的鍺量都比預期少了約 20%— —這一令人驚訝的結果不可能是由太陽中微子問題造成的。 「他們確切地知道源活動以及 產生了多少中微子，」洛斯阿拉莫斯核物理學家 Inwook Kim 說。很快，這種令人費解的差 異有了一個名字：鎵異常。 「這確實令人驚訝，」巴里諾夫說。 2014 年在 Baksan 開始的一項名為 Baksan 惰性躍遷實驗 (BEST) 的後續實驗使用兩個鎵 室而不是一個，以確定這種異常現像是否可以用距中微子源的距離來解釋。自 2015 年以來 一直從事該實驗的 Barinov 說：「BEST 的構建就是為了解決這種緊張局勢。」但是，相對 於模型預測，兩個房間都繼續表現出差距。 “這真是一個不尋常的結果，”他說。 半衰期理論 直到 2022 年，BEST 的重複結果仍然顯示出這種異常現象。一個室僅含有預期量的 79%， 另一個室僅含 77%。 「每個人都希望異常現象會消失，」伯克利的理論物理學家威克·哈克 斯頓說。 “對於正在發生的事情仍然沒有任何清晰的了解。” 有人提出了一個可能的解釋：1985 年測得的71 鍺（實驗中產生的特定同位素）的半衰期為 11.43 天，實際上更長。同樣的常數控制鍺 71 的衰變速率以及鎵捕獲中微子以產生鍺的 速率。這意味著鍺 71 半衰期較長意味著中微子捕獲率較低，因此鍺的產生率較低，這可以 解釋 SAGE、Gallex 和 BEST 所發現的鍺缺乏的原因。 Norman 及其同事於 5 月下旬在《Physical Review C》上發表了對此半衰期的重新研究。 諾曼說，他們利用加州大學戴維斯分校麥克萊倫核子研究中心的核反應器輻照“非常純的鍺 材料”，產生了鍺 71。然後他們分析了 80 多天的樣本，看看原子衰變需要多長時間。 他們得出的半衰期為 11.468 天，非常接近 1985 年的測量結果，排除了用半衰期來解釋鎵 異常的可能性。雖然沒有人完全相信最初的半衰期測量結果是完全錯誤的，但研究人員仍然 認為它值得檢查。 「這是一項需要進行的測量，」瓊斯說。 另一種提出的解釋是，物理學家錯誤地計算了源中微子與鎵相互作用的機率。但2023年9月 ，哈克斯頓和他的同事也排除了這個可能性。 「你無法消除這種異常現象，」他說。 這讓物理學家處於一個尷尬的境地。要么仍然存在一些沒有人想到的錯誤，要么正如哈克斯 頓所說，“中微子正在發生一些不尋常的事情。”例如，這些實驗可能指出一種有爭議的額 外類型的中微子，大多數其他實驗都沒有檢測到，這也可能有助於解釋暗物質。 惰性中微子 三種已知的中微子都比電子輕數百萬倍，它們透過弱力與其他基本粒子相互作用，這使得它 們可以被檢測到。另一方面，惰性中微子只能透過重力相互作用。如果它們比已知的中微子 重得多，它們的存在可以透過 1980 年左右假設的稱為蹺蹺板機制的逆關係解釋為什麼已知 的中微子如此輕。 然而，鎵異常將指向較輕的惰性中微子，放射源發射的電子中微子有時會振盪成不會與鎵相 互作用的惰性中微子。 在某些模型中，輕質惰性中微子可能包含宇宙暗物質的一小部分，但不是全部，因為它們太 輕，無法像暗物質一樣透過重力塑造宇宙。 「它們可能只是其中的一小部分，」麻省理工 學院的實驗核與粒子物理學家林德利·溫斯洛（Lindley Winslow）說。 然而，透過研究中微子振盪模式來尋找惰性中微子的其他嘗試基本上不成功。溫斯洛說，支 持輕惰性中微子的研究人員數量「正在減少」。加州大學歐文分校的天文物理學家凱沃克· 阿巴扎吉安 (Kevork Abazajian)表示，他們是「粒子物理學界的失敗者」。 阿巴扎吉安說，如果它們確實存在，輕惰性中微子將「嚴重破壞」我們目前對宇宙學的理解 ，包括大爆炸後幾分鐘內原子如何形成的想法，以及宇宙微波背景理論、來自宇宙的餘熱的 理論。 「你會期望看到這種額外中微子的存在，」阿巴札吉安說。然而，他補充說，最近 的研究表明，最初幾分鐘內事件序列的替代模型「可以容納輕惰性中微子」。 除了對鎵異常的其他解釋之外，輕惰性中微子仍然是我們無法根除的可能性。 「我一直對 惰性中微子假說有點懷疑，但我無法告訴你為什麼它不正確，」艾利歐特說。 “對於為什 麼實驗可能是錯誤的，從來沒有一個令人信服的解釋。” 艾利奧特表示，雖然俄羅斯入侵烏克蘭“讓事情變得複雜”，但美國和俄羅斯在 BEST 方面 的合作目前仍在繼續。巴里諾夫表示，巴克桑研究小組正在考慮使用鋅等新的中微子源來進 一步測試結果。他們甚至可能在源周圍建造第三個鎵室。目前，該異常現象仍未解決，也沒 有任何解決跡象。 「這讓我們都感到困惑，」哈克斯頓說。 喬納森·奧卡拉漢 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.82.21.195 (臺灣) ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1720835778.A.745.html