本文來(lái)自微信公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），作者：小雨，原文標(biāo)題：《諾獎(jiǎng)得主60年前的預(yù)測(cè)被證實(shí)》

一

2016年12月6日，一個(gè)來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的粒子以接近光速的速度沖向地球，并抵達(dá)南極的冰層。這個(gè)粒子被稱為反電子中微子， 能量高達(dá)6.3PeV（1PeV=101?eV）。在它抵達(dá)南極冰蓋下的深處后，它撞上了一個(gè)電子，并產(chǎn)生一個(gè)具有質(zhì)量的粒子，這個(gè)粒子迅速衰變成一系列次級(jí)粒子。

埋藏在南極冰川下的千米級(jí)“望遠(yuǎn)鏡”——冰立方中微子天文臺(tái)捕捉到了這次事件——這正是60年前就被預(yù)言的格拉肖共振事件。

冰立方中微子天文臺(tái)是一個(gè)由來(lái)自12個(gè)國(guó)家、53個(gè)機(jī)構(gòu)的400多名科學(xué)家、工程師和工作人員運(yùn)營(yíng)的中微子觀測(cè)站，它利用嵌在南極冰層上的數(shù)千個(gè)傳感器，探測(cè)幾乎無(wú)質(zhì)量的中微子。圖中顯示的是在極光背景下的冰立方實(shí)驗(yàn)室，其中發(fā)著藍(lán)光的細(xì)長(zhǎng)部分代表著觀測(cè)到的格拉肖共振。| 圖片來(lái)源：冰立方合作組

1960年，正在從事博士后研究工作的謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）在一篇論文中預(yù)言到，一個(gè)反中微子可以與一個(gè)電子相互作用，當(dāng)這個(gè)反中微子的能量恰好適當(dāng)?shù)脑挘c電子的相互作用就能通過(guò)一個(gè)共振過(guò)程而產(chǎn)生一種當(dāng)時(shí)尚未被發(fā)現(xiàn)的具有質(zhì)量的粒子。

當(dāng)時(shí)尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子就是W?規(guī)范玻色子，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)其質(zhì)量的精確預(yù)測(cè)為80.379GeV，要在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造W?玻色子需要將質(zhì)子和反質(zhì)子以最高450GeV的能量撞擊在一起。這正是1983年超級(jí)質(zhì)子同步加速器所能夠做到的，這一成果也讓歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家贏得了第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

二

格拉肖是在1979年獲得的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)模型所做的貢獻(xiàn)。正如前文所提到的，他在60年代時(shí)，便提出了另一種創(chuàng)造W?玻色子的方法。在一篇論文中，他表示β衰變的逆過(guò)程可以通過(guò)反電子中微子撞擊電子產(chǎn)生，當(dāng)入射中微子的能量剛好高到足以在產(chǎn)生W玻色子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。

不過(guò)在當(dāng)時(shí)，他所預(yù)計(jì)的W?玻色子的質(zhì)量比實(shí)際質(zhì)量要輕得多，并認(rèn)為這個(gè)數(shù)值不會(huì)大于質(zhì)子質(zhì)量。因此他估計(jì)所需的反中微子能量只需要約0.9TeV。而最終的事實(shí)證明，W?比預(yù)計(jì)的要重80多倍，因此撞擊電子的反中微子需要具有6.3PeV的能量，這幾乎是歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的能量的1000倍——地球上的任何人造粒子加速器，無(wú)論是已存在的還是正在計(jì)劃中的，都無(wú)法創(chuàng)造出具有這么大能量的中微子。

幸運(yùn)的是，雖然地球上的加速器無(wú)法做到，但宇宙中卻存在著自然加速器。例如，星系中心的超大質(zhì)量黑洞和一些其他極端宇宙事件都能以某種方式加速粒子。正因如此，也就有了我們?cè)陂_頭提到的事件。

產(chǎn)生了格拉肖共振事件的電子反中微子在到達(dá)冰立方之前經(jīng)過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)的距離，圖中繪制了它的歷程，藍(lán)色虛線是反中微子的路徑。| 圖片來(lái)源：冰立方合作組

3月10日，研究人員將這次的探測(cè)結(jié)果正式發(fā)表在了《自然》雜志上。

三

這一發(fā)現(xiàn)表明，科學(xué)家已經(jīng)可以探測(cè)到明顯來(lái)自地外的單個(gè)中微子事件，它再次證實(shí)了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，并展示了冰立方所擁有的探測(cè)潛能。

自2011年5月開始全面運(yùn)作以來(lái)，冰立方已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的高能中微子，以及幾十萬(wàn)個(gè)由宇宙射線在地球大氣層中產(chǎn)生的中微子，為粒子天體物理學(xué)帶來(lái)了許多重要結(jié)果。在2013年，它發(fā)現(xiàn)了宇宙高能中微子；在2018年，它識(shí)別了第一個(gè)天體物理高能中微子源。它能夠以極高的精度測(cè)量中微子振蕩，并能靈敏地對(duì)超高能的相互作用進(jìn)行探測(cè)。

 冰立方探測(cè)器記錄的格拉肖共振事件。每個(gè)彩色圓圈都顯示了一個(gè)被事件觸發(fā)的冰立方傳感器，紅色圓圈表示傳感器觸發(fā)時(shí)間較早，藍(lán)綠色圓圈表示傳感器觸發(fā)時(shí)間較晚。| 圖片來(lái)源：冰立方合作組

這次所探測(cè)到的格拉肖共振事件就是能量極高的一次探測(cè)，它是冰立方探測(cè)到的第三次能量大于5PeV的事件。這是令物理學(xué)家和天文學(xué)家無(wú)比興奮的發(fā)現(xiàn)，它開啟了中微子天文學(xué)的新篇章。過(guò)去的研究由于靈敏度的缺乏，而無(wú)法測(cè)量中微子和反中微子之間的區(qū)別，而新的結(jié)果則開始從中微子流中區(qū)分反中微子，完成了對(duì)天體物理學(xué)的中微子流中的反中微子部分的首個(gè)測(cè)量。

為了確認(rèn)探測(cè)結(jié)果，以及對(duì)中微子和反中微子之比進(jìn)行決定性的測(cè)量，冰立方的研究人員希望看到更多的格拉肖共振?，F(xiàn)在正在籌備中的冰立方探測(cè)器“冰立方二代”將使科學(xué)家們能夠以一種具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的方式進(jìn)行這樣的測(cè)量。相信在不久的將來(lái)，我們將收獲更多關(guān)于這些有著超高能量的中微子的信息。

參考來(lái)源：

https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2021/03/icecube-detection-of-a-high-energy-particle-proves-60-year-old-theory/

https://www2.physics.ox.ac.uk/news/2021/03/10/icecube-detection-of-'glashow-resonance’-proves-60-year-old-theory

https://www.physics.harvard.edu/icecube-Glashow-resonance

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：原理（ID：principia1687），作者：小雨