来自印第安纳大学的一组研究人员以及国际合作者正在积极参与解开围绕支配我们宇宙的基本物理定律的基本奥秘。

(资料图)

在过去的六年里，印第安纳大学的一组研究人员与国际合作者一起，一直致力于解开统治我们宇宙的基本物理定律的奥秘。他们进行了一项名为马约拉纳演示器的实验，该实验极大地促进了我们对中微子的理解，中微子是宇宙的基本组成部分之一。

该实验的最终报告最近发表在《物理评论快报》上。

中微子是与电子相当但没有电荷的微小粒子，是宇宙中第二丰富的粒子，仅次于光。尽管数量如此丰富，但它们被证明很难研究，因为它们不像其他粒子那样相互作用。

“中微子在每一个可以想象的尺度上对宇宙和物理学都有深远的影响，在粒子相互作用水平上让我们感到惊讶，并在宇宙尺度上产生广泛的影响，”IU艺术与科学学院物理学助理教授Walter Pettus说。“但它们也是研究起来最令人沮丧的，因为我们对它们了解很多，但我们有很多差距。

马约拉纳演示器是由来自24个机构的60名研究人员合作，旨在同时填补其中的许多空白，探索中微子的最基本特性。

他们希望观察的一个方面是中微子是否可以是它自己的反粒子- 一种质量相同但电荷相反的亚原子粒子。由于中微子不带电，它是宇宙中唯一可能成为其自身反粒子的粒子。理解这一点将提供关于为什么中微子首先具有质量的见解- 这些信息将对理解宇宙如何形成产生广泛影响。

为了确定中微子是否是自己的反粒子，研究人员需要观察一种罕见的现象，称为无中微子双衰变。然而，这一过程需要一个原子至少1026年——比人类的年龄长得多。相反，他们选择在六年的时间里观测近1026个原子。

为了观察这种令人难以置信的罕见衰变，研究人员需要完美的环境。在位于南达科他州黑山的桑福德地下研究设施，位于地下一英里处，他们建造了地球上最干净，最安静的环境之一。极其灵敏的探测器由高纯度锗制成，并包装在50吨的铅屏蔽中，周围环绕着前所未有的清洁度材料。甚至使用的铜也是在他们的实验室地下种植的，杂质含量如此之低，以至于无法测量。

Pettus和一组IU学生主要负责分析实验数据。研究生Nafis Fuad，本科生Isaac Baker，大二学生Abby Kickbush和Jennifer James，本科生研究经验计划的学生，都参与了该项目。他们的重点是了解实验的稳定性，分析记录波形的细节以及表征背景。

“这就像在一个非常大的大海捞针中寻找一根小针- 你必须小心翼翼地摆脱所有可能的干草（又名背景），你甚至不知道是否真的有针在那里，”福阿德说。“成为搜索的一部分非常令人兴奋。

虽然研究人员最终没有观察到他们希望的衰变，但他们确实发现中微子的衰变尺度比他们设定的极限要长，他们将在实验的下一阶段进一步测试。此外，他们还记录了其他科学成果- 从暗物质到量子力学- 有助于更好地了解宇宙。

通过该项目，研究人员证明，他们使用的技术可以在更大的范围内用于可能改变游戏规则的搜索，这可能有助于解释宇宙中物质的存在。

“我们没有看到我们正在寻找的衰变，但我们已经提高了寻找我们所追求的物理学的标准，”佩特斯说。“顾名思义，Demonstrator先进了关键技术，我们已经在意大利的下一阶段实验中利用了这些技术。我们可能还没有打破我们的物理学图景，但我们肯定已经推动了视野，我对我们所取得的成就感到非常兴奋。

该项目的下一阶段名为LEGEND-200，已经开始在意大利收集数据，并计划在未来五年内运行。研究人员的目标是以比马约拉纳演示器更高的灵敏度观察衰变。除此之外，由于美国能源部的支持，该团队已经在设计后续实验LEGEND-1000。

Pettus对这项工作的未来感到兴奋，并期待让更多的学生参与该项目，包括LEGEND-1000的数据分析和硬件开发。

“如果我们发现中微子是它自己的反粒子，我们脚下仍然会有地面和天空中的星星，我们对物理学的理解并没有改变物理定律的现实，这些定律始终存在并继续控制着我们的宇宙，”佩特斯说。“但是，了解最基本的层面是什么以及宇宙如何运作，会给我们一个更丰富，更美丽的世界- 或者可能只是更奇怪- 而这种追求从根本上说是人类的。

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