他在32岁就人间蒸发,却留下了破解宇宙奥秘的线索

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发布日期:2017年05月31日 所属分类:人物

美国南达科他州的霍姆斯塔克金矿曾是整个北美最大、产量最高的金矿,在它上百年的历史中,人们采掘出了约125万千克的黄金。不过,现在让这里闻名世界的不是黄金,而是粒子物理。一个多世纪以来,人们对黄金的渴求驱使矿道不断向地下深处延伸,使得霍姆斯塔克金矿也成了北美最深的金矿。在矿井深处,上千米厚的岩层成了极佳的天然屏障,帮助物理学家屏蔽掉宇宙射线,让粒子物理实验中那些微弱而又罕见的信号免受干扰。

他在32岁就人间蒸发,却留下了破解宇宙奥秘的线索

桑福德地下研究所的地上建筑

美国物理学家雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)很早就注意到了霍姆斯塔克金矿的绝佳条件,1965年,他在矿井内地下1478米处设立了实验装置,用380万升四氯乙烯来捕捉中微子。通过这个实验,他发现来自太阳的中微子比理论预言少了2/3(后来的研究证明,这是三种中微子互相变换的“中微子振荡”导致的),并因此获得了2002年诺贝尔物理学奖。

2002年,霍姆斯塔克金矿停止了运营,但留下的矿道却可以创造出一座物理学的“金矿”。在接下来的几年中,桑福德地下研究所(Sanford Underground Research Facility)在这里建立起来,成为了美国最深的地下物理实验室。有多个实验项目选择了桑福德地下研究所,其中最著名的可能要数大型地下氙暗物质实验(LUX),它计划利用液态氙来探测WIMP——目前最被物理学家看好的暗物质粒子候选者。

 

他在32岁就人间蒸发,却留下了破解宇宙奥秘的线索

马约拉纳演示器的铅制“城堡”

与LUX同在地下1478米深处的,还有另一个雄心勃勃的实验项目,马约拉纳演示器(Majorana Demonstrator)。该实验所要寻找的是一种叫作“无中微子双β衰变”的现象,如能有所斩获,那么按德国马普所的物理学家伯恩哈德·施温根霍伊尔(Bernhard Schwingenheuer)的说法,“这将是一个重大突破,比发现希格斯粒子更重大。”

β衰变是极为常见的现象,在放射性元素的原子核中,有时某个中子会释放出一个电子和一个反中微子,自己转化为质子,原子核也就变成了另外一种元素,这个过程就是β衰变。还有些时候,由于某些条件的限制,原子核中必须有两个中子同时发生衰变,各自释放出一个电子和一个反中微子,变成两个质子,这就是双β衰变。双β衰变极为罕见,某些会发生这种衰变的放射性元素半衰期高达1020 年,但物理学家还是成功地在实验中找到了这种现象。

此外,在理论上还可能存在另一种衰变方式:两个中子同时衰变,但只会释放出两个电子,变成两个质子,整个过程没有出现任何中微子。这种“无中微子双β衰变”,只有当中微子是“马约拉纳粒子”的时候才可能出现。

早早消失的物理天才

马约拉纳粒子得名于最早提出它的意大利物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)。马约拉纳活跃于20世纪二三十年代,那个物理学风起云涌,群星闪耀的时代。即使是在那个物理学盛世中,他也是让人印象尤为深刻的一位物理学家,这不仅是因为他有着流传于世的学术成就,也因为他生平甚是奇特。

马约拉纳是一位极具个性的研究者,他虽然喜欢研究物理、探索自然之秘,却不喜欢发表论文。当居里夫人的女儿伊雷娜·居里和弗雷德里克·约里奥在实验室中发现一种疑似伽马射线的神秘粒子时,马约拉纳就指出,这应该不是光子,而是一种更重的中性粒子。当时他在著名物理学家恩里克·费米的研究团队中,费米建议他就此写一篇论文,却被他拒绝了。之后詹姆斯·查德威克证实这种粒子的确是新粒子,也就是中子,并因此获得了1935年诺贝尔物理学奖。

此后,马约拉纳继续着他对物理学的纯粹探索,他改写了描述费米子(费米子指的是电子、质子之类构成物质的粒子,与之相对的是玻色子,即光子、胶子等传递作用力的粒子)的狄拉克方程,在他的新方程中,粒子与其反粒子是完全相同的,也就是说,粒子的反粒子就是自己本身。这次,费米吸取了中子的教训,亲自撰写了一篇论文,以马约拉纳的名义在1937年发表于历史悠久的意大利物理学期刊Il Nuovo Cimento上,这才没有让马约拉纳的天才研究被埋没。

新方程描述的粒子被称为马约拉纳粒子。时至今日,物理学家并未发现真正的马约拉纳粒子,但很多人,包括马约拉纳本人都怀疑中微子就是这类粒子。若果然如此,那么两个中微子(或两个反中微子)相遇时,其实也就相当于正反中微子相遇,可以发生湮灭。这样,本应在中子的衰变过程中释放出来的两个反中微子就互相抵消、凭空消失了,使得双β衰变成为了无中微子双β衰变。

他在32岁就人间蒸发,却留下了破解宇宙奥秘的线索

马约拉纳去向如何,成了物理学史上永远难解的谜

而在提出马约拉纳粒子后不久,马约拉纳本人也仿佛湮灭的粒子一样人间蒸发了。1938年3月,他登上了前往西西里首府巴勒莫的航船,从此神秘失踪。虽然有证据显示他在目的地登岸了,却再也没有人见过他。有人认为他自杀了,也有人相信他避世隐居,但无论哪种说法都没有可靠的证据。马约拉纳去向如何,成了物理学史上永远难解的谜。

寻找马约拉纳粒子

马约拉纳粒子,成了这个天才留给世界的最后一份礼物。如能发现无中微子双β衰变,证明中微子真的是一种马约拉纳粒子,那么物理学家就可能解开中微子质量之谜,甚至还有可能触及超出粒子物理标准模型的新物理学。

现在我们知道,中微子的质量不为零,但却很小,与电子差了五六个数量级。如果中微子的质量同其他粒子一样,源于与希格斯粒子的相互作用,那它的质量应该要大得多才对。有一种理论可以解释中微子质量为何如此之小,按照该理论,中微子必须是马约拉纳粒子。

标准模型有一个轻子数守恒定律,就是说正轻子个数减去负轻子个数得到的差值是保持不变的。(“轻子”指的是电子和中微子等粒子,与中子和质子这样的“重子”相对。)例如,在β衰变中,衰变前只有一个中子,轻子数为0;衰变后成为质子0、电子1和反中微子-1,轻子数仍为0。但如果真的存在无中微子双β衰变,反应前后的轻子数就由2个中子的0变成了2个电子的2,打破了轻子数守恒定律。这不仅意味着我们可能需要超出标准模型的新物理学(比如某些超对称模型就预言了轻子数守恒会被破坏),还有可能帮助我们搞清楚为何宇宙在诞生之后,正反物质会变得不平衡。

在桑福德地下研究所最底层的一间超净室中,马约拉纳演示器的29个单晶锗棒静静地矗立在零下196摄氏度的液氮中。这些富含同位素锗76的晶体是从俄罗斯运来的,为了尽量避免宇宙射线照射锗原子,生成可能带来干扰的放射性元素,这些重要货物一路上不但不能乘飞机,连行车路线的海拔高度都要小心。为了屏蔽外来辐射的干扰,研究者会在锗棒外面设置多层防护,最里面是两层五厘米厚的超纯净铜,之后是45厘米厚的铅砖,用来阻挡伽马射线。再外面还有聚乙烯、塑料和氮气等组成的三层屏障,用来阻挡中子、宇宙射线μ子和放射性的氡。

一旦某个锗76原子发生了无中微子双β衰变——估计每1025年会有那么一次。释放出的两个电子将会让一连串原子电离,从而在晶体棒一端连接的电极中产生电流脉冲,让研究者可以探测到关乎中微子真实身份的宝贵信号。

正如其名字,马约拉纳演示器其实只是个演示装置,来证明该试验能有效地控制背景信号干扰。科学家计划在未来建造下一代实验装置——使用了1吨重锗晶体的大型探测器。而除了马约拉纳演示器,还有多个寻找无中微子双β衰变的项目,例如藏身于美国新墨西哥州一个废弃盐井中的EXO-200项目,正在监测200千克液态氙中发生的无中微子双β衰变。意大利格兰萨索国家实验室的GERDA项目则与马约拉纳演示器合作组成了大型浓缩锗无中微子双β衰变实验联盟,合作搜寻中微子即是马约拉纳粒子的证据。

事实上,中微子可能并非马约拉纳粒子的唯一候选者。例如,超对称理论认为,每个费米子都有一个对应的玻色子,反之亦然,那么光子的超对称伙伴粒子就应该是一种马约拉纳粒子。更完整的物理学可能还需要更多的马约拉纳粒子。

尽管马约拉纳短暂的学术生涯在1938年戛然而止,但他留下的理论,依然在物理学最前沿续写他的传奇。(环球科学/韩晶晶)

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