北京時間8月7日消息，據(jù)國外媒體報道，物理學家會對他們希望發(fā)生的事情大費唇舌，但這些事也許終其一生都不會發(fā)生。例如，一名物理學家認為在特定情況下，十分常見、但難以探測的中微子可以使整個原子核發(fā)生振蕩。考慮到這一現(xiàn)象極難探測，他覺得光是提出這一想法就已經(jīng)夠傻了。
圖為橡樹嶺國家實驗室的SNS實驗裝置
圖為科勒拿著相干中微子核碰撞實驗探測器模型
但四十年后，科學家宣布，他們真的發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。
具體來說，科學家找到了一種測量“相干中微子核碰撞”（coherent）的新方法。早在上世紀70年代，一名物理學家就預言了中微子發(fā)生互動的可能性。一些人認為此次發(fā)現(xiàn)或許能幫助我們?nèi)缈苹闷话憷弥形⒆印Ｆ渌藙t表現(xiàn)得更為審慎。但有一點是肯定的：物理學家認為這是一次激動人心的發(fā)現(xiàn)。
“哇哦！！！！！！”伊利諾伊州費米實驗室的物理學家胡安·埃斯特拉達（Juan Estrada）在郵件中表達了他的激動之情。他也在尋找這一效應(yīng)，但并未參與此次研究。
根據(jù)物理法則，粒子有四種相互作用方式：引力、電磁力、強作用力和弱作用力。中微子是一種特殊的粒子，只能通過弱作用力和引力與其它粒子進行互動，而這兩種力在地球上的實驗室都很難進行探測。中子是原子核含有的兩種粒子之一。中子的β衰變便是弱作用力的一種，在衰變?yōu)橘|(zhì)子的同時釋放出一個中微子和一個電子。
如今，科學家測量中微子的方法相當于“順藤摸瓜”。如果一個中微子擊中了質(zhì)子，也許就會使β衰變反向進行，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個電子和一個中子。電子會發(fā)出閃光，從而被探測器捕獲。但這種相互作用十分罕見，且需要耗費大量液體。
麻省理工學院理論物理學榮譽退休教授丹尼爾·弗里德曼（Daniel Freedman）是1974年預言中微子除了與質(zhì)子互動外、還能發(fā)生另一種相互作用的科學家之一。他認為中微子可以與整個原子核產(chǎn)生相互作用。這個過程涉及的能量很少，因為中微子僅能產(chǎn)生極弱的推力。但由于原子核比質(zhì)子大得多，這將遠比與質(zhì)子相撞常見。這樣一來，便可以采用規(guī)模較小的探測器，只需不到50千噸水就能得到預期效果。
但弗里德曼指出：“我們的假設(shè)也許有些傲慢自大，因為中微子-原子核彈性散射實驗中難免受到相互作用率、分辨率和研究背景的局限。”換句話說，他認為這種相互作用仍然太過微弱和罕見，因而難以探測。
四十年后，美國橡樹嶺國家實驗室的一組物理學家證明，弗里德曼的預言其實是正確的。“這并非不可能。”卡瓦里太空物理研究所的物理學家胡安·科勒（Juan Collar）指出。
他們能取得預期觀測結(jié)果，要歸功于特殊的實驗設(shè)計和好運氣。橡樹嶺國家實驗室開展了一項名為“散變中子源”（簡稱SNS）的實驗。該實驗在制造中子束的同時，還產(chǎn)生了大量中微子作為副產(chǎn)品。研究相干中微子核碰撞的科學家們正好利用了這一點。中子云可能會干擾信號，但該研究團隊在20英尺（約合6米）的混凝土墻后的地下室中找到了一處合適的位置，足以擋住除中微子之外、SNS實驗產(chǎn)生的任何粒子。“我們能找到這里真的非常幸運。”杜克大學物理學家、相干中微子核碰撞合作研究團隊發(fā)言人凱特·舒伯格（Kate Scholberg）表示，“我本來擔心會受到中子的影響，結(jié)果并不是這樣。”
當中子束開啟時，可以看出清晰的探測器信號（以黑點表示），說明該團隊確實捕捉到了中微子與原子核的相互作用。
相干中微子核碰撞實驗裝置本質(zhì)上是一塊晶體，當中微子擊中晶格時，通過弱作用力產(chǎn)生的相互作用使原子核發(fā)生振蕩，釋放出可以被探測到的微弱光線。中子束脈沖時強時弱，因此探測信號也隨之上下起伏。“我們知道中微子何時會被發(fā)射過來，因為中子束恰好每秒鐘只開啟60次。”科勒解釋道，“這對于我們非常重要。”
舒伯格指出，該實驗不僅驗證了40年前的預言，還為一些針對中微子行為的猜想給出了約束。科勒認為該研究最重要的影響在于，它為小型中微子實驗開創(chuàng)了全新的未來。“也許50年后，我們真的發(fā)明了可行的中微子技術(shù)。”且這些技術(shù)可供公眾使用，就像曾經(jīng)顯得高大上、如今已飛入尋常百姓家的激光發(fā)射器一樣。
其他專家也激動不已。有些團隊已經(jīng)開始在自己的實驗室中尋找同樣的信號。“能發(fā)現(xiàn)這樣一個所有人都相信存在、只是難以識別的現(xiàn)象，可謂一次巨大的成功。”夏威夷大學的物理學家約翰·格里高利·倫德（John Gregory Learned）指出。他尤其欣賞科勒所做的貢獻。但他也呼吁人們對該技術(shù)的前景持更謹慎的態(tài)度，就目前而言，他認為該技術(shù)的應(yīng)用途徑相當有限。
弗里德曼也十分高興。
“終于有人做了我在1974年提出的實驗，”弗里德曼表示，“我當然激動得要命。”