镜像世界探秘6——可在实验室里检验的新物理

本文基于如下论文:“Laboratory tests of the ordinary-mirror particle oscillations and the extended CKM matrix

自从粒子物理的标准模型(Standard Model)在上世纪七十年代建立起来以后,我们在基础物理理论方面似乎没有感到太大的进展。尽管标准模型的精确性得到了实验上令人叹为观止的十几个数量级的验证,我们仍然非常确定标准模型肯定不是量子理论的最后形式。同时人们还非常渴望统一标准模型里的规范相互作用与爱因斯坦的广义相对论为基础的引力理论。这大概也是为什么最近四十年的基础物理理论研究主要集中在所谓量子引力(Quantum Gravity)的研究,特别是关于弦论(String Theory)和圈量子引力(Loop Quantum Gravity)及类似理论。

然而这些理论都有一个致命的弱点:我们几乎不可能在任何可预见的将来对它们进行实验检验。至于各种各样的超越标准模型(Beyond the Standard Model / BSM)的唯象模型,绝大多数都类似一种玩具模型(toy model),同样缺少坚实的理论预言的可检验性。另一方面,自从伽利略几百年前把物理学奠定为一门实验科学之后,所有基础物理理论的进展都有实验证据的坚强后盾,这让我们很难满意这些年来的基础理论研究的方向。

新镜像世界理论(mirror matter theory)恰恰相反,除了能对现有的各种反常现象和不解之谜给出一致合理的回答外,此理论最显著的特点是提出了很多独有的可以在实验室检验的相当精确的理论预言。能够解释早期宇宙或天体演化的疑难确实很酷,但这些宇宙和天体的条件我们几乎无法改变,毕竟我们都生活在我们所知的唯一的宇宙。这样的一个样本的检验会是很好的佐证,但无法让我们完全信服。但实验室检验不同,我们可以很容易改变实验条件来对一个新理论进行全面验证。下面我们就来详细讨论怎样在实验室里检验新镜像世界理论。这里我们主要讨论三种类型的实验,更多的实验可以参见开头提到的论文或简短的博文介绍

新镜像世界理论的最重要的预言之一就是普通和镜像中子(n-n’)之间的振荡。在此(n-n’)振荡模型中,每一次中子的非相干散射或相互作用都会有大约 10-5 的几率变成镜像中子(根据最新的估算 [arXiv:2006.10746],此几率约为 0.4-1×10-5)。注意镜像粒子除引力外不参与普通世界里的其它相互作用,实验上就相当于观测到中子的消失。特别值得一提的是用来测量中子寿命(约为 888 秒)的超冷中子(Ultra-cold neutron / UCN)。这样的极低能中子的动能大约不到 10-7 电子伏(eV) ,以至于很容易被地球的引力束缚住,同时它也在很多材料表面发生全反射。所以超冷中子能被储存在容器里,甚至上面开口的容器里。

然而这种方法测到的中子寿命总是偏低,于是人们把这归结于容器表面的不完美-特别是含氢化合物的污染导致中子被吸收。问题是这种效应很难和新镜像世界理论所预言的(n-n’)振荡损失相区别。幸运的是,中子具有磁矩,近些年来不断完善的磁场技术可以很好地束缚中子在一个磁阱(magnetic trap)里,从而避免器壁不完美的问题。

奇怪的是,各种磁阱(其中包括法国的 ILL 实验室的 HOPE,美国国家标准局的 NIST 磁阱,以及洛斯阿拉莫斯国家实验室-LANL的 UCNτ 设备)测到的中子寿命仍然偏低。有些结果特别低(差距达到几十甚至上百秒),然而引用的误差也特别大,从而掩盖了问题。特别是在2017年用NIST磁阱完成的一个学生的未发表的博士论文里,他们测到的中子寿命结果是 707±20 秒,远远低于公认的数值。而这一结果恰恰可以由新理论解释[arXiv:2006.10746]。但不幸的是他们在实验结束后不小心丢失了超纯氦-4,而把这一反常结果归咎于氦-3杂质,这导致结论无法完全确定而错过了一个可能的重大发现。

最为不幸的是,HOPE 和 NIST 磁阱的结果总是和主流实验结果相差极大,大概由于从众的心理两个项目在最近几年都被停止了。尽管我花了很大精力试图说服和帮助这两个实验组重新启动他们的设备,然而由于资金、人员、兴趣等等因素,我看不到它们近期会被重启的可能。如果有人能重启这两个磁阱或建造类似设备,那么新理论就会立刻得到验证。

新(n-n’)振荡模型实质上预言磁阱实验所测到的中子寿命完全依赖于磁阱本身的几何形状。不同的形状会给出不同的中子平均自由程(两次磁场全反射的平均距离),也即不同的平均自由飞行时间(导致不同的寿命)。最精确的 UCNτ 磁阱已经可以把测量误差控制在 1 秒以内,但由于其尺寸很大而使反常不象 HOPE 或 NIST 磁阱那样明显。超冷中子的测量团队还准备在将来把误差降低到 0.1 秒的量级。然而如果能启用 HOPE 或 NIST 那样的磁阱,10 秒甚至更大的误差也足以验证新模型。

HOPE 和 NIST 磁阱的特点就是它们都是十分狭窄的圆柱形,直径只有 10 公分左右,这使得它们能测到的反常特别大,所以不需要很高的精度。即使只是重做这些实验,或者其它团队发展类似的磁阱,现在的技术就已足够验证新模型。

HOPE 设计的长处是它是竖立式,可以通过移动盖子的高低来改变体积和中子能谱,从而影响测到的寿命值,这一依赖关系将是对新模型非常好的检验。另一方面,水平式的NIST 磁阱设计很独特,其内部充满液氦用来生成超冷中子并同时作为探测媒介。一个很重要的改进方向就是使其探测器不止能计数,还可以增加粒子分辨功能-例如使用脉冲形状鉴别(PSD)或 TPC(Time Projection Chamber)等成熟技术。这可以让我们很容易把中子的β衰变事件和可能的杂质氦-3导致的融合反应区分开来。这将给出对新理论最有力的检验。

当然我们也可以等待,希望有更多的团队做出不同的磁阱并达到足够高的精度,最终必然导致各测量结果互相矛盾,而只能求助于新镜像世界理论来解释。也许只有在那时候,人们才能开始按照新理论系统地设计不同尺寸的磁阱来全面地检验之。

第二类检验涉及到(n-n’)振荡的媒介效应(medium effect)。这种效应最早在研究中微子振荡时发现的,称之为 Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW) matter effect。这种效应是说当一个粒子(比如中微子或中子)穿行在可以对它进行相干散射的媒介中时,就像被穿了一件衣裳一样,其有效质量会被改变从而影响振荡行为。太阳燃烧时产生的中微子在离开致密的太阳壳层物质时恰恰经历这一现象从而改变了它的振荡几率。这个效应刚好可以解释观测到的太阳中微子问题。

(n-n’)振荡类似,在前面讲到的恒星演化问题里,中子在穿过恒星的氦燃烧层(其密度高达水密度的 100 倍以上)时,其有效质量的改变几乎可以完全弥补普通-镜像中子的质量差。这时的媒介效应最大,导致共振振荡,即普通中子有一半的几率变成镜像中子(远远大于在真空中的 10-5 的几率)。当然在地球上我们没有这样致密的物质,也就无法在实验室里实现这样的共振振荡。

幸运的是,中子有磁矩,所以强磁场像致密物质一样也可以改变中子的有效质量。计算表明,在新理论中,当外加磁场达到大约 50-100 特斯拉时,(n-n’)共振振荡也会发生。一般的实验室条件下很难达到如此高的超强磁场。但位于佛罗里达州的美国国家强磁场实验室(MagLab)的直流磁场强度已经可以接近 50 特斯拉,而位于洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的脉冲式磁铁可以达到 100 特斯拉(非破坏模式)甚至 300 特斯拉(破坏模式)。如果我们让非极化(自旋方向不定)的中子束流穿过这样的磁场,会有一半对齐了磁场方向而参与共振振荡,最后有四分之一变成镜像中子。这种 25% 的中子损失率应该是容易测量的,也是一个只有此新理论才有的预言。事实上,当我们逐渐扫描这一可能强磁场区间,假定在某一特定磁场强度下我们看到这一共振现象,那么我们就同时非常精确地测量了普通-镜像中子的质量差。

第三类检验涉及到其它中性粒子的振荡效应。新理论预言了一种普适的中性强子的振荡效应。这包括所有的中性介子(2 夸克组成,如 π0,K0)和中性重子(3 夸克组成,如中子,Λ0)。依赖于其质量,这些强子的固有振荡周期大概在纳秒(10-9 s)数量级上下。这要求中性粒子必须足够稳定其普通-镜像振荡效应才能够显著。例如 π0 的寿命太短(10-17 秒),它的振荡效应(10-18)几乎可以忽略不计。这也是为什么(n-n’)和(K0-K0’)振荡成为了在两个世界之间最重要的两个信使,同时能解释很多疑难问题(例如暗物质正物质世界的起源)。

K0 介子实际上有两个质量本征态,即长寿命的 K0L 和短寿命的 K0S(其质量约为中子质量的一半,但质量差非常小,只有 3.5×10-6 eV)。它们的衰变模式主要是通过转变成 π 介子和轻子对的方式,寿命分别为 5×10-8 秒(K0L)和 9×10-11 秒(K0S)。幸运的是,这样的寿命足够短,我们已经有足够大的粒子探测器能够保证所有的 K0 介子在衰变前都跑不出去。我们知道的唯一几乎不可见的衰变模式(invisible decays)是 K0 介子变成一对或两对中微子的情况。由于我们探测中微子的效率极低,这种衰变模式感觉就像K0介子凭空消失一样。然而计算可知,这种不可见的衰变模式的分支比极低,远远低于万亿分之一,比实验能达到的灵敏度要低很多个数量级。这可能就是尽管我们已经有超过半世纪的探测 K0 介子衰变的技术,却从来没有专门实验去测量过 K0 不可见衰变的分支比。

然而,新理论中的(K0-K0’)振荡预言,通过镜像转换导致的 K0 不可见衰变的分支比其实很大,现有实验技术完全观测得到。根据最新的理论预测 [arXiv:2006.10746],其分支比超过百万分之一,分别为 1×10-5 (K0L)和 2×10-6 (K0S)。欧洲核子中心(CERN)的 NA64 实验组本来在 CERN 的 SPS 停机升级前准备测量 K0 介子的不可见衰变,但由于机器故障没做成。今年流行的新冠病毒进一步延缓了 CERN 的升级。现在CERN 正逐步开始恢复运行,也许2021年 NA64 就会真正进行这一期待已久的实验。

另一个最可能被测到的不可见衰变来自(Λ00’)振荡。Λ0 重子由 3 个夸克(uds)组成,只比中子稍微重一点,并且它的寿命也比较长(2.6×10-10 秒)。最新的估算给出其不可见衰变的分支比达到 4.4×10-7,应该也在现有实验技术的可测量范围之内。事实上,所有以上提到的强子其实都是非常容易产生的,根本不需要最高能(TeV 量级)的加速器(例如 LHC)。很多较低能(GeV)的加速器,如果亮度足够,会更适合做这些测量。

北京正负电子对撞机的谱仪装置(BESIII)就可以展开类似研究。BESIII 在现有条件下对 K0L 可能还无法完全覆盖,但对短寿命的 K0S 介子则没问题,其不可见衰变探测也刚好能达到新模型所预言的 10-6 的灵敏度。下一代的中国高能物理大设备 STCF(Super Tau Charm Facility)肯定会对 K0 和 Λ0 的不可见衰变做出更精确的测量,但它的建成并投入使用恐怕还得需要至少十年。

也许在不久的将来,很多低能的加速器都开始专注测量这些新理论所预言的不可见衰变。人们甚至可以进一步发展探测技术去测量其他更微弱的中性强子振荡,特别是含有更重夸克的强子。这些测量将使我们能最终确定所有夸克的普通-镜像混合参数,从而对新镜像物质理论做出全面检验。

July 19, 2020
Last modified: December 30, 2020

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