用中微子尋找量子引力  

量子引力真的存在嗎？最近，一組科學(xué)家利用神奇的中微子，探尋了這個物理學(xué)中最具挑戰(zhàn)的大問題。

中微子是一類沒有電荷、幾乎沒有質(zhì)量的“幽靈粒子”，它們可以不受電磁力和強力的干擾，毫不費力地穿過幾乎任何物質(zhì)，不受阻礙地進行超長距離的旅行。正因如此，這些攜帶著有關(guān)它們來源信息的粒子，其實扮演著宇宙“信使”的角色。

但是，一個關(guān)鍵的問題在于，在穿過了數(shù)十億光年甚至更遠的距離時，中微子的性質(zhì)真的能完全不變嗎？還是說它們最終也會出現(xiàn)微小的變化？科學(xué)家相信，如果中微子經(jīng)歷了這種細微的變化，那么這將能成為量子引力的首個有力證據(jù)。

在一項新發(fā)表于《自然·物理學(xué)》的研究中，冰立方中微子天文臺（IceCube）合作組的科學(xué)家，就試圖通過IceCube探測到的大氣中微子，尋找量子引力存在的證據(jù)。

  中微子的退相干  

量子理論和廣義相對論是物理學(xué)的兩大支柱。量子理論主宰著微觀世界的粒子行為，廣義相對論支配著宏觀的宇宙，它們各司其職，很好地描述了這個宇宙的運作方式。然而，它們卻無法以一種完美的方式結(jié)合起來。因此，尋找一個能夠?qū)⑦@兩個理論統(tǒng)一起來的量子引力理論是物理學(xué)家最大的目標(biāo)之一。

但量子引力真的存在嗎？為了回答這個懸而未決的物理學(xué)大問題，IceCube合作組的科學(xué)家發(fā)展了一種利用中微子數(shù)據(jù)來揭示量子引力是否存在的方法。

IceCube位于南極洲阿蒙森-斯科特南極站旁邊，它被深埋在南極冰層之下約2.5千米的地方，由數(shù)千個傳感器組成。在投入運行的十多年間，它已經(jīng)捕捉到了大量中微子。

中微子有三種“味”，即電子中微子、μ中微子和τ中微子。隨著中微子的傳播，這些不同味的中微子會發(fā)生變化，這種奇怪的現(xiàn)象被稱為中微子振蕩。這種量子行為在數(shù)千千米甚至更長的距離內(nèi)保持不變，這被稱為量子相干性。

在大多數(shù)實驗中，這種相干性很快就會被破壞，但這種退相干并不會被認為是由量子引力引起的。這是因為在實驗室中創(chuàng)造完美的真空是非常困難的，一些分子總能神不知鬼不覺地潛入，破壞相干性。

相比之下，中微子的特殊之處就在于，它們不受周圍物質(zhì)的影響，所以如果中微子的相干性被破壞，那么就不會是由于人造實驗裝置的缺陷導(dǎo)致的。

  IceCube捕捉到的大氣中微子  

地球周圍的大多數(shù)中微子都來自太陽，還有一些是來自最遙遠外太空的高能天體物理中微子。中微子可以輕易地穿透地球，即便是地球熾熱的、致密的核心也無法阻擋中微子的腳步，而其他的粒子則會被地球阻擋。因此，由IceCube所捕捉的來自北半球的中微子信號要清晰得多。

一個中微子傳感器被放入南極冰蓋深處。（圖/IceCube / NSF）

在新的研究中，研究人員分析了在地球大氣中產(chǎn)生的中微子在傳播過程中的退相干情況。這些中微子源自于太空中的高能粒子與氮或其他分子的相撞。

研究這些來自地球大氣層的中微子有一個優(yōu)勢，那就是它們比來自外太空的中微子更常見。科學(xué)家需要大量中微子的數(shù)據(jù)，來驗證他們的方法。不過，研究結(jié)果表明，并不存在異常的中微子退相干的證據(jù)。

  懷疑猶在  

當(dāng)被問及新的研究結(jié)果是否如預(yù)期的那樣時，研究人員回答道：“我們發(fā)現(xiàn)自己處于一類罕見的科學(xué)項目類別中，即進行的實驗沒有對應(yīng)的既定理論框架。因此，我們不知道該期待什么。然而，我們知道，我們可以尋找一些我們期望量子引力理論具有的一般性質(zhì)?！?/span>

研究人員強調(diào)，雖然在這項研究中，他們并沒有在大氣中微子上看到與量子引力相關(guān)的變化，但這并不代表這樣的變化就真的不存在。對于IceCube所探測到的大氣中微子來說，它們通常會穿過地球，這意味著穿過了大約12700千米的距離。與來自遙遠宇宙的中微子相比，這是一個非常短的距離，而如果量子引力存在的話，它需要更長的距離才能產(chǎn)生影響。

多年來，許多物理學(xué)家懷疑實驗是否有希望檢驗量子引力。新的分析結(jié)果表明，這種研究是有可能實現(xiàn)的。研究人員表示，他們已經(jīng)做好準(zhǔn)備進入下一階段，也就是研究來自深空的天體物理中微子。隨著未來對這些天體物理中微子進行測量，以及有更精確的探測器投入運行，最終科學(xué)家們或許能夠回答這個基本大問題。