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宇宙中最“慢”的概念是什么呢？斯坦福物理學家給出了自己所認為的“最慢的事件”。得益于美國EXO探索實驗得出的數據，有一種神秘的粒子活動從137.5億年前的宇宙大爆炸開始到現在，該試驗名稱縮寫為“2nubb”。其代表的是兩個中微子雙β衰變，這種衰變只存在于理論之中，是放射性元素在某種形式下具有的特性。 在兩個中微子雙β衰變類型中，兩個中子，中性亞原子粒子處于一個原子核中，這時候就是自發地衰變為兩個質子，兩個電子和兩個反中微子，而兩個反中微子，在物理學家眼中可認為是微小的“反物質雙胞胎”，而且幾乎沒有質量，是一種非常神秘的粒子。 
圖1 粒子物理同樣是一個難題眾多的研究方向 就在幾天前，EXO中微子雙β衰變研究小組的科學家們在德國慕尼黑舉行的會議上宣布：根據他們的測量結果，通過對Xe-136元素兩個中微子雙β衰變的研究，發現其半衰期在2.11乘以10的21次方年，而Xe-136元素則是氙的同位素。而10的21次方年是一個什么樣的概念呢？研究小組的物理學家解釋說：其就相當于是現在宇宙年齡的一千億倍。換句話說，宇宙的年齡還不如這個放射性同位素樣品通過兩個中微子雙β衰變途徑所對應的半衰期的一個零頭。 斯坦福大學的物理學家喬治格拉塔（Giorgio Gratta），他同時也是加州門洛帕克市斯坦福直線粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所粒子天體物理和宇宙學研究小組的成員，格拉塔認為：這是我們在過去的測量研究中，所發現的最慢的標準模型。而標準模型就是科學家建立物質結構模型最好的說明方式，可以解釋前文中，電子、質子和中子結合在一起，以及為什么兩個中微子雙β衰變會處于首要地位。 在兩個中微子雙β衰變探索實驗中，科學家收集了七個光電二極管，通過大量的傳感器來檢測兩中微子雙β衰變，并推測其中還包含著其他的衰變。對此，物理學家喬治格拉塔同時也認為：兩中微子雙β衰變是非常符合于標準模型之中，所以從這個意義上出發，這個觀測的方法并不令人感到意外。而實際上，這種形式的衰變，我們之前在其他元素上已經觀察到。 即便如此，斯坦福大學物理學家研究小組的結論意味著這個發現比任何一個吉尼斯世界紀錄都來得更有價值。EXO 200探測器是第一個捕捉到Xe-136元素發生的兩中微子雙β衰變過程，而這個衰變的檢測結果是基于一個“非常干凈”的數據背景，科學家在得出這組數據前，排除了背景噪音的干擾，產生的穩定的信號，為理論物理學家提供了寶貴的數據源，使他們能解決之前在計算和實驗結果之間產生的驚人費解的差異性。 但是，關于Xe-136元素兩中微子雙β衰變的實驗還遠未結束，我們目前獲得的僅僅是早期的結果。而EXO 200檢測研究小組還希望能找到另一個衰變的過程，這個衰變比兩中微子雙β衰變還要來得“空想”，因為這個衰變僅僅是理論上的，沒有人可以確定其是存在的，這就是被稱為“零中微子雙β衰變”，也可以稱為“無中微子雙β衰變”，即0nubb。科學家通過對該衰變的研究，可以測量中微子的質量，而且我們現在還沒有這種衰變所對應的標準模型。 所謂的“零中微子雙β衰變”，在粒子物理上定義為兩個中子再次衰變成兩個質子和兩個電子，在這個過程中，反中微子依舊是無處可尋的，但是，它們卻必須一直存在著。這是因為，必須有兩個反中微子進行互相湮滅，這就像正電子和電子可以發生相互湮滅一樣，或者質子和反質子發生相互湮滅，這個現象會發生在任何一種粒子和它所對應的反粒子相遇的情況下。換句話說，宇宙中為了發生“零中微子雙β衰變”（ 0nubb），中微子就必須擁有它們各自所對應的反粒子。 這聽起來似乎有點兒奇怪，有點兒像反證法，從結論反推到條件。目前的粒子物理學中認為，一個粒子都有存在其本身和反粒子的可能性，這個結論是由意大利理論粒子物理學家埃托雷馬約拉納（Ettore Majorana）于1937年所做的推測。埃托雷馬約拉納在中微子質量上做了突出研究貢獻，并提出了馬約拉納方程式。根據埃托雷馬約拉納方法所推測出的粒子被稱為馬約拉納粒子，而如果這個粒子被發現是存在的，那么物理學家就應該忙著去修改他們的標準模型了。物理學家喬治格拉塔對此解釋說：“零中微子雙β衰變”過程，我們一直試圖在尋找它，而且這個研究進行了很長一段時間。 而在斯坦福直線粒子加速器中心(SLAC)卡夫利研究所與EXO研究小組的眼中，“零中微子雙β衰變”確實是一個大問題。同時供職于這個兩個科研團隊的科學家馬蒂布雷登巴赫（Marty Breidenbach）認為: EXO200研究小組所進行的試驗正在朝這個方向努力，而如何發現這個衰變過程，其中還蘊藏著一個哲學道理，即一個物理過程幾乎不可能發生是由于這個過程的稀有性，而一個物理過程不可能發生是由于它的不存在性，所以，“零中微子雙β衰變”的答案就在這個兩個選項中產生。 斯坦福研究小組目前的策略是給“零中微子雙β衰變”提供更多的發生機會，如果是一個極小的概率事件，在龐大的試驗樣本前提下，也會提高它的發生概率。科學家在一個充滿200千克液態氙的檢測室中，細心地照料著試驗對象，即使氙不斷地富集，直到達到80%的Xe-136（雙β衰變同位素）水平。 研究小組為了能清楚地檢測到“零中微子雙β衰變”，甚至“兩中微子雙β衰變”的過程，不得不削減每個放射源。而整套試驗裝置則是由超純凈，無放射性材料制成，并且在斯坦福大學裝配運輸的途中只能進行卡車運輸，不能進行空運，這是因為飛行會暴露在更多的宇宙射線下。最終運輸到新墨西哥州卡爾斯巴德附近的奇瓦瓦沙漠試驗場，該裝置將被安裝在半英里深的鹽層地下，廢物隔離試驗工廠中，該處則是由美國能源部用于處理核廢料的儲存庫。 這樣。核廢料存儲庫的鹽層就會帶有核廢料的放射性，儲存庫外就會帶有宇宙射線以及衰變的痕跡，就可以通過EXO200檢測器探測到。科學家檢查初步的低背景結果顯示，EXO200還是處于工作狀態中。要想取得整個試驗的數據，這個過程還將持續幾年，可能是大于五年，而且還取決于另一個正在發展中的試驗，該試驗中使用了數噸的XE – 136元素。科學家馬蒂布雷登巴赫認為：EXO200目前一直處于試點項目中，我們正在積極做好全面發展的準備。 文/騰訊科技 |
