中微子衰变：物理学家探索宇宙“最慢事件” 2011-09-14
[导读]在德国慕尼黑举行粒子物理会议上，斯坦福大学物理学家公布了氙同位素惊人的半衰期，堪称宇宙中“最慢的事件”。
据国外媒体报道，宇宙中最“慢”的概念是什么呢？斯坦福物理学家给出了自己所认为的“最慢的事件”。得益于美国EXO探索实验得出的数据，有一种奥秘的粒子活动从137.5亿年前的宇宙大爆炸开始到现在，该实验名称缩写为“2nubb”。其代表的是两个中微子双β衰变，这种衰变只存在于理论之中，是放射性元素在某种形式下具有的特性。在两个中微子双β衰变类型中，两个中子，中性亚原子粒子处于一个原子核中，这时分就是自发地衰变为两个质子，两个电子和两个反中微子，而两个反中微子，在物理学家眼中可认为是微小的“反物质双胞胎”，而且几乎没有质量，是一种特别奥秘的粒子。
图1 粒子物理同样是一个难题众多的研究方向
就在几天前，EXO中微子双β衰变研究小组的科学家们在德国慕尼黑举行的会议上公布：根据他们的测量结果，通过对Xe-136元素两个中微子双β衰变的研究，发现其半衰期在2.11乘以10的21次方年，而Xe-136元素则是氙的同位素。而10的21次方年是一个什么样的概念呢？研究小组的物理学家解释说：其就相当于是现在宇宙年龄的一千亿倍。换句话说，宇宙的年龄还不如这个放射性同位素样品通过两个中微子双β衰变途径所对应的半衰期的一个零头。
斯坦福大学的物理学家乔治格拉塔（Giorgio Gratta），他同时也是加州门洛帕克市斯坦福直线粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所粒子天体物理和宇宙学研究小组的成员，格拉塔认为：这是我们在过去的测量研究中，所发现的最慢的标准模型。而标准模型就是科学家建立物质结构模型最好的说明方式，可以解释前文中，电子、质子和中子结合在一起，以及为什么两个中微子双β衰变会处于首要地位。
在两个中微子双β衰变探索实验中，科学家搜集了七个光电二极管，通过大量的传感器来检测两中微子双β衰变，并推测其中还包含着其他的衰变。对此，物理学家乔治格拉塔同时也认为：两中微子双β衰变是特别符合于标准模型之中，所以从这个意义上出发，这个观测的方法并不令人感到意外。而实际上，这种形式的衰变，我们之前在其他元素上已经观察到。
即便如此，斯坦福大学物理学家研究小组的结论意味着这个发现比任何一个吉尼斯世界纪录都来得更有价值。EXO 200探测器是第一个捕获到Xe-136元素发生的两中微子双β衰变过程，而这个衰变的检测结果是基于一个“特别干净”的数据背景，科学家在得出这组数据前，排除了背景噪音的干扰，产生的稳定的信号，为理论物理学家提供了宝贵的数据源，使他们能解决之前在计算和实验结果之间产生的惊人费解的差异性。
但是，关于Xe-136元素两中微子双β衰变的实验还远未结束，我们目前获得的仅仅是早期的结果。而EXO 200检测研究小组还希望能找到另一个衰变的过程，这个衰变比两中微子双β衰变还要来得“空想”，因为这个衰变仅仅是理论上的，没有人可以确定其是存在的，这就是被称为“零中微子双β衰变”，也可以称为“无中微子双β衰变”，即0nubb。科学家通过对该衰变的研究，可以测量中微子的质量，而且我们现在还没有这种衰变所对应的标准模型。
所谓的“零中微子双β衰变”，在粒子物理上定义为两个中子再次衰变成两个质子和两个电子，在这个过程中，反中微子依旧是无处可寻的，但是，它们却必须一直存在着。这是因为，必须有两个反中微子进行互相湮灭，这就像正电子和电子可以发生相互湮灭一样，或者质子和反质子发生相互湮灭，这个现象会发生在任何一种粒子和它所对应的反粒子相遇的情况下。换句话说，宇宙中为了发生“零中微子双β衰变”（0nubb），中微子就必须拥有它们各自所对应的反粒子。
这听起来仿佛有点儿希奇，有点儿像反证法，从结论反推到条件。目前的粒子物理学中认为，一个粒子都有存在其本身和反粒子的可能性，这个结论是由意大利理论粒子物理学家埃托雷马约拉纳（Ettore Majorana）于1937年所做的推测。埃托雷马约拉纳在中微子质量上做了突出研究贡献，并提出了马约拉纳方程式。根据埃托雷马约拉纳方法所推测出的粒子被称为马约拉纳粒子，而如果这个粒子被发现是存在的，那么物理学家就应当忙着去修改他们的标准模型了。物理学家乔治格拉塔对此解释说：“零中微子双β衰变”过程，我们一直试图在寻找它，而且这个研究进行了很长一段工夫。
而在斯坦福直线粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所与EXO研究小组的眼中，“零中微子双β衰变”确实是一个大问题。同时供职于这个两个科研团队的科学家马蒂布雷登巴赫（Marty Breidenbach）认为: EXO200研究小组所进行的实验正在朝这个方向努力，而如何发现这个衰变过程，其中还蕴藏着一个哲学道理，即一个物理过程几乎不可能发生是由于这个过程的稀有性，而一个物理过程不可能发生是由于它的不存在性，所以，“零中微子双β衰变”的答案就在这个两个选项中产生。
斯坦福研究小组目前的策略是给“零中微子双β衰变”提供更多的发气愤会，如果是一个极小的概率事件，在庞大的实验样本前提下，也会提高它的发生概率。科学家在一个布满200千克液态氙的检测室中，细心地照料着实验对象，即使氙不断地富集，直到达到80%的Xe-136（双β衰变同位素）水平。
研究小组为了能明白地检测到“零中微子双β衰变”，以至“两中微子双β衰变”的过程，不得不削减每个放射源。而整套实验装置则是由超纯净，无放射性材料制成，并且在斯坦福大学装配运输的途中只能进行卡车运输，不能进行空运，这是因为飞行会暴露在更多的宇宙射线下。最终运输到新墨西哥州卡尔斯巴德附近的奇瓦瓦沙漠实验场，该装置将被安装在半英里深的盐层地下，废物隔离实验工厂中，该处则是由美国能源部用于处理核废料的储存库。
这样。核废料存储库的盐层就会带有核废料的放射性，储存库外就会带有宇宙射线以及衰变的痕迹，就可以通过EXO200检测器探测到。科学家检查初步的低背景结果显示，EXO200还是处于工作状态中。要想取得整个实验的数据，这个过程还将持续几年，可能是大于五年，而且还取决于另一个正在发展中的实验，该实验中运用了数吨的XE –136元素。科学家马蒂布雷登巴赫认为：EXO200目前一直处于试点项目中，我们正在积极做好全面发展的准备。（Everett/编译）
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