第532章 寻找重中微子实验
“从三代中微子振荡的完整框架来看的话,对于中微子振荡的理论研究,可以先从真空中的中微子振荡入手……”
时间来到晚上8点,陈舟重新沉浸于自己的研究之中。
中微子振荡理论的基础,也是理想的真空状态下。
中微子在真空中通过味态产生,传播过程则是质量态。
最后再以味态进行探测,中微子混合味中的组成成分,就发生了改变。
这种中微子味转移的现象,也就是中微子振荡。
“中微子的味态是中微子质量态的线性叠加,具体符合式子是Vα(x)=α=1,2,3∑UaaVa(x)……”
陈舟的大脑在飞速运转的同时,草稿纸上的公式,也开始多了起来。
在这个公式下方,陈舟又标注了三个条件。
1是中微子是确定能量和动量的平面波,2是中微子是相对论性粒子,3是中微子的传播方向沿着一个确定的轴方向。
这是因为,只有在前人所做的真空中的中微子振荡实验所作出的近似条件下,所推出的中微子振荡实验公式,再去谈及比较复杂的太阳中微子振荡实验,才是有意义的。
理论研究,在任何时候,也是从基础到复杂的。
结合这三个近似条件,陈舟手中的笔,快速的在草稿纸上移动。
“……最后,可以得到振荡几率的表达式:p(α→β;t)=∑|U*αa|²|Uβa|²+2Re[a≠b∑U*αaUβaUabU*βb·exp(-i(Δm²ab2p)t)]……”
“这里的α,β为中微子的味态,t为质量本征态的时间演化,i是x轴的单位向量,U*为混合矩阵,Δmab为中微子的质量差,p为中微子的存活几率……”
得到这个振荡几率的表达式后,陈舟停下了手中的笔,习惯性的点了点草稿纸。
脑海中飞速闪过两个条件。
是中微子振荡发生需要满足的两个条件。
1是中微子必须要有质量差。
2是混合矩阵必须存在非零的非对角元素,也就是中微子必须是混合的。
由此也可以确定最基本的一点,中微子具有质量!
只有确定了这一点,寻找重中微子的实验,也才有意义。
不再点击草稿纸,陈舟拿紧手中的笔,开始由二味中微子混合矩阵入手,结合振荡公式,从理论上推导需要定义振荡波长为多少,才能使得振荡的幅度毕竟明显。
随着时间的推移,陈舟也得到了想要的理论公式。
由此,也就可以确定,在中微子振荡实验中,要想精确的确定不同的中微子的质量差和混合角,实验设置要选择对应的,不同中微子振荡参数合适的距离,使得振荡项最大。
初步完成真空中中微子振荡的理论梳理之后,陈舟瞥了眼时间,已经是夜里1点多了。
想了想,陈舟并没有立即对下一个,太阳中微子的MSW效应中中微子振荡实验,开展理论研究。
他重新拿起先前放在一边的草稿纸,开始着手再次梳理一遍。
不知为何,陈舟总觉得自己似乎漏掉了什么东西。
只可惜,再次梳理了一遍的陈舟,也还是没有找到那感觉里遗漏的内容。
第二天,陈舟依照着自己的良好生活习惯。
起床晨跑。
随后,解决完早饭问题,便回到了自己的房间。
陈舟在昨天就已经跟贝尔托卢奇说过,他需要独立且安静的空间和时间。
所以,CERN的实验准备,他就先不参加了。
等到他完成自己的理论研究之后,或者说,他取得了理论研究的初步进展之后,再来跟研究人员一起,进行CERN今年的这最后一项重大实验。
贝尔托卢奇虽然有些不愿意,但最终还是同意了陈舟的请求。
本来嘛,贝尔托卢奇和米彻·约翰斯通就是打着陈舟回来参加实验,好让他见识到CERN的强大实力,从而打动陈舟,让这位史上最年轻的诺贝尔物理学奖得主加入的小心思。
可现在,人家完全有着自己的计划,压根不是那么好打动的。
不过,贝尔托卢奇和米彻·约翰斯通一商量,两人也改变了一开始的计划。
既然陈舟本人对本次寻找重中微子实验的研究,是十分上心的,那就尊重他自己的意愿,在实验安排上去配合他。
让陈舟在实验的具体内容上,认识CERN的强大实力,也是一种可行的办法。
说不定,有着这样一位出色的物理学家,做理论研究的后盾,他们也能有一些意外的收获呢?
回到房间的陈舟,很快便进入了状态。
虽然说昨晚只睡了4个小时多点,但陈舟却觉得自己的精神状态,还是十分饱满的。
怎么说呢,有些人可能真的适合搞科研工作。
当他一投入进去的时候,立马就变得不一样了。
别说犯困打盹了,就连一丢丢走神,那都是绝对没有的。
“在两代中微子条件下,当物质中产生一个电子味中微子Ve,有Ve=cosφV1+sinφV2……”
“在达到A≈Ar区域后,r为太阳中心到所在位置的距离,中微子变为一半Ve,一半Vμ……”
“这种状态类似于真空中45°混合情况,振荡得到极大增强!”
“当中微子传播传播到物质表面的时候,变为V2=cosφVμ+sinφVe……”
“这种情况,对很多发生在共振区域的振荡过程成立,在物质中振荡加强称为MSW效应。”
开始梳理太阳中微子MSW效应的陈舟,整个人的思维也变得异常活跃。
实际上,MSW效应在太阳中微子振荡的过程中扮演很重要的角色。
从太阳的核心到太阳的表面,太阳的密度逐渐减小,在小于个半径范围内,近似的看作其按指数形式减少。
随着对太阳中微子的MSW效应的研究,陈舟眼前的草稿纸,也逐渐变得厚了起来。
时间在流逝,但陈舟对中微子振荡的研究,却在逐渐深入。
一周的时间,很快过去。
陈舟书桌上的草稿纸,也堆了满满的两摞。
只不过,这些草稿纸并不全是中微子相关研究的内容。
还有数学上极小模型纲领的研究,以及化学和材料学上,对粒子探测器的研究。
虽然此时陈舟的研究重心,是放在CERN这次的寻找重中微子实验上的。
但是,已经确定的研究方向和研究课题,他自然不会长时间放着,就此搁置。
要知道,一天放下,可能没有什么。
但是,一旦时间超过一个界限,那放下的东西,可就不好捡起来了。
所以,为了保持自己研究的高效,也顺便调节一下中微子研究的氛围。
陈舟同时进行着极小模型纲领和粒子探测器材料的课题研究。
在陈舟爆肝研究的这一周时间,张一凡那边也顺利“入驻”了那所实验室。
唯一令张一凡感到尴尬的可能就是,那位希望借着陈舟之名,提升一下实验室名气的化学系博士。
在一开始把张一凡误认为陈舟后,就变成连面都不露一下了。
但好在,借着“独立”使用权的名义,张一凡顺利地带着自己的同学们,开始了粒子探测器的材料学实验。
当然,这位化学系博士虽然不露面了,但却没少安排人进行盯梢。
生怕这群毛都没长齐的“小孩”,把他实验室里的昂贵设备给弄坏了。
对于这件事,张一凡也跟陈舟说过。
陈舟的意思是,他来解决。
但张一凡却说,这种事没必要让陈舟再操心了,他之所以说一下,只是让陈舟心里有个数。
他们自己是可以解决这件事的,实在不行,就当做没看到好了。
再者说,陈舟本人是不会在实验室进行实验的,就算是说了又能起什么作用呢?
最本质的问题,是他们在这个实验室,进行相关的实验。
所以,这件事的解决,还在他们自己身上。
当听到张一凡这话时,陈舟的嘴角不自觉地露出了一丝笑意。
果然,这位老同桌,还是靠谱的!
当陈舟一周时间的理论研究一结束,米彻·约翰斯通的电话便打了进来。
不为别的,就是问问陈舟,明天是否会去CERN的对撞机实验室。
陈舟有些哭笑不得的看了看手机,他是没有想到的,有人竟然比他自己,把时间记得还清楚。
当然,陈舟也没有继续闭关研究的意思。
在看了一眼笔尖停留的地方后,他很爽快的回答了米彻·约翰斯通。
明天开始,正式进入CERN的对撞机实验室,开始着手参与这一次寻找重中微子的实验。
第二天,陈舟在晨跑结束后,快速的解决了早饭。
随即便和克罗斯一起,来到了对撞机实验室。
到实验室后,陈舟看了一眼强忍着的克罗斯,忍不住笑道:“想问什么,你就问吧。”
克罗斯闻言,快速问道:“怎么样?理论研究的结果?有没有解决中微子振荡的问题?能不能寻找到重中微子?”
虽然知道对方要问什么,但当对方真的问出这些问题时,陈舟还是没好气的说道:“你真当我是神啊?说解决就解决了?”
克罗斯不好意思地挠了挠头:“你上次解决胶球实验的问题,不就是说解决就解决了嘛……”
陈舟顿时无语,虽然很想反驳,但又觉得对方说的貌似一点问题都没有。
停顿了片刻,陈舟才悠悠说道:“离解决还有段距离,不过,初步的研究成果,还是有一些的,正好借着这次的实验来验证。”
听到陈舟的话,克罗斯顿时眼前一亮,他有些兴奋地说道:“就知道你不会空手而归的,接下来,就让他们这群人见识一下,什么叫做天才吧!”
陈舟无奈的说道:“空手而归可不是这么用的……”
克罗斯却毫不介意道:“反正你明白我的意思就行,这是我新学的成语,以后在华国能用到。”
陈舟摇了摇头,这家伙最近确实挺用心在学汉语的,就怕到时候去了华国,因为沟通耽误了实验进度。
对于这一点,陈舟还是得给克罗斯点个赞的。
顿了顿,陈舟随口又补充了一句:“那个不叫让他们见识一下,什么叫做天才,应该说,是时候表演真正的技术了。”
克罗斯闻言,微微一愣,他扭头看了陈舟一眼,总觉得这话好像在哪听过,却又想不起来了。
现在世界各国大多数高能物理实验合作组,都采用长基线实验方法来测量,并计算中微子振荡,同时寻找相应的中微子粒子。
长基线中微子的振荡实验,首先由高能质子加速器产生强流μ中微子束,并在出口处安装一个近点探测器。
其后在距离中微子流出口L处,安装一个大型远点探测器。
两个探测器的结构,以及探测方法均相同。
以近点探测器测量的中微子相互作用作为标准,然后与在远点探测器测量到的中微子相互作用作比较,就可以判定是否存在中微子振荡,并可知道中微子振荡的模式。
但由于中微子质量很小,其振荡概率很低,所以L要远达上千公里才有一定的灵敏度。
例如日国的K2K与超神冈探测装置的距离在250公里,米国的费米国家加速器实验室和MINOS实验探测装置的距离在730公里。
也因此,这种实验方法才被成为长基线中微子振荡实验。
也因为灵敏度的问题,以及远距离实验的各种因素,才会出现那些“美丽的错误”。
而这一次的寻找重中微子的中微子振荡实验,位于日内瓦的CERN,通过位于意大利地下的探测装置ICARUS和OPERA,来进行实验。
两者之间的距离,大概在730公里左右。
和日国、米国的实验室一样,CERN这边所做的长基线中微子振荡实验,因远点探测器和近点探测器距离,只有几百公里。
要短于理论要求的上千公里,所以实验的精度以及灵敏度,都比较低。
但这是客观的实验条件,暂时无法改变的。
有趣的是,当陈舟跟米彻·约翰斯通问到这件事时。
米彻·约翰斯通立马就表示,他们打算与另一实验室合作,建一所新的远点探测器,从而达到理论要求。
听到这话的陈舟,表情略显古怪的看了米彻·约翰斯通一眼。
反正建不建,跟他的关系又不大,用得着这么急着解释吗?
没有在这个问题上细究,也没有打算详细听一听米彻·约翰斯通已经准备好的说词。
陈舟随即便开始回到实验本身,开始跟米彻·约翰斯通讨论起实验的事情。
他在理论研究上的初步成果,必须要有CERN的这边的配合才行。
要不然,这终归只是白纸上的文字。
只不过,陈舟没想到的是。
在听完了他的描述,并翻阅了研究论文之后。
米彻·约翰斯通两眼放光的说道:“你等着,我马上就去找贝尔托卢奇博士!”
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时间来到晚上8点,陈舟重新沉浸于自己的研究之中。
中微子振荡理论的基础,也是理想的真空状态下。
中微子在真空中通过味态产生,传播过程则是质量态。
最后再以味态进行探测,中微子混合味中的组成成分,就发生了改变。
这种中微子味转移的现象,也就是中微子振荡。
“中微子的味态是中微子质量态的线性叠加,具体符合式子是Vα(x)=α=1,2,3∑UaaVa(x)……”
陈舟的大脑在飞速运转的同时,草稿纸上的公式,也开始多了起来。
在这个公式下方,陈舟又标注了三个条件。
1是中微子是确定能量和动量的平面波,2是中微子是相对论性粒子,3是中微子的传播方向沿着一个确定的轴方向。
这是因为,只有在前人所做的真空中的中微子振荡实验所作出的近似条件下,所推出的中微子振荡实验公式,再去谈及比较复杂的太阳中微子振荡实验,才是有意义的。
理论研究,在任何时候,也是从基础到复杂的。
结合这三个近似条件,陈舟手中的笔,快速的在草稿纸上移动。
“……最后,可以得到振荡几率的表达式:p(α→β;t)=∑|U*αa|²|Uβa|²+2Re[a≠b∑U*αaUβaUabU*βb·exp(-i(Δm²ab2p)t)]……”
“这里的α,β为中微子的味态,t为质量本征态的时间演化,i是x轴的单位向量,U*为混合矩阵,Δmab为中微子的质量差,p为中微子的存活几率……”
得到这个振荡几率的表达式后,陈舟停下了手中的笔,习惯性的点了点草稿纸。
脑海中飞速闪过两个条件。
是中微子振荡发生需要满足的两个条件。
1是中微子必须要有质量差。
2是混合矩阵必须存在非零的非对角元素,也就是中微子必须是混合的。
由此也可以确定最基本的一点,中微子具有质量!
只有确定了这一点,寻找重中微子的实验,也才有意义。
不再点击草稿纸,陈舟拿紧手中的笔,开始由二味中微子混合矩阵入手,结合振荡公式,从理论上推导需要定义振荡波长为多少,才能使得振荡的幅度毕竟明显。
随着时间的推移,陈舟也得到了想要的理论公式。
由此,也就可以确定,在中微子振荡实验中,要想精确的确定不同的中微子的质量差和混合角,实验设置要选择对应的,不同中微子振荡参数合适的距离,使得振荡项最大。
初步完成真空中中微子振荡的理论梳理之后,陈舟瞥了眼时间,已经是夜里1点多了。
想了想,陈舟并没有立即对下一个,太阳中微子的MSW效应中中微子振荡实验,开展理论研究。
他重新拿起先前放在一边的草稿纸,开始着手再次梳理一遍。
不知为何,陈舟总觉得自己似乎漏掉了什么东西。
只可惜,再次梳理了一遍的陈舟,也还是没有找到那感觉里遗漏的内容。
第二天,陈舟依照着自己的良好生活习惯。
起床晨跑。
随后,解决完早饭问题,便回到了自己的房间。
陈舟在昨天就已经跟贝尔托卢奇说过,他需要独立且安静的空间和时间。
所以,CERN的实验准备,他就先不参加了。
等到他完成自己的理论研究之后,或者说,他取得了理论研究的初步进展之后,再来跟研究人员一起,进行CERN今年的这最后一项重大实验。
贝尔托卢奇虽然有些不愿意,但最终还是同意了陈舟的请求。
本来嘛,贝尔托卢奇和米彻·约翰斯通就是打着陈舟回来参加实验,好让他见识到CERN的强大实力,从而打动陈舟,让这位史上最年轻的诺贝尔物理学奖得主加入的小心思。
可现在,人家完全有着自己的计划,压根不是那么好打动的。
不过,贝尔托卢奇和米彻·约翰斯通一商量,两人也改变了一开始的计划。
既然陈舟本人对本次寻找重中微子实验的研究,是十分上心的,那就尊重他自己的意愿,在实验安排上去配合他。
让陈舟在实验的具体内容上,认识CERN的强大实力,也是一种可行的办法。
说不定,有着这样一位出色的物理学家,做理论研究的后盾,他们也能有一些意外的收获呢?
回到房间的陈舟,很快便进入了状态。
虽然说昨晚只睡了4个小时多点,但陈舟却觉得自己的精神状态,还是十分饱满的。
怎么说呢,有些人可能真的适合搞科研工作。
当他一投入进去的时候,立马就变得不一样了。
别说犯困打盹了,就连一丢丢走神,那都是绝对没有的。
“在两代中微子条件下,当物质中产生一个电子味中微子Ve,有Ve=cosφV1+sinφV2……”
“在达到A≈Ar区域后,r为太阳中心到所在位置的距离,中微子变为一半Ve,一半Vμ……”
“这种状态类似于真空中45°混合情况,振荡得到极大增强!”
“当中微子传播传播到物质表面的时候,变为V2=cosφVμ+sinφVe……”
“这种情况,对很多发生在共振区域的振荡过程成立,在物质中振荡加强称为MSW效应。”
开始梳理太阳中微子MSW效应的陈舟,整个人的思维也变得异常活跃。
实际上,MSW效应在太阳中微子振荡的过程中扮演很重要的角色。
从太阳的核心到太阳的表面,太阳的密度逐渐减小,在小于个半径范围内,近似的看作其按指数形式减少。
随着对太阳中微子的MSW效应的研究,陈舟眼前的草稿纸,也逐渐变得厚了起来。
时间在流逝,但陈舟对中微子振荡的研究,却在逐渐深入。
一周的时间,很快过去。
陈舟书桌上的草稿纸,也堆了满满的两摞。
只不过,这些草稿纸并不全是中微子相关研究的内容。
还有数学上极小模型纲领的研究,以及化学和材料学上,对粒子探测器的研究。
虽然此时陈舟的研究重心,是放在CERN这次的寻找重中微子实验上的。
但是,已经确定的研究方向和研究课题,他自然不会长时间放着,就此搁置。
要知道,一天放下,可能没有什么。
但是,一旦时间超过一个界限,那放下的东西,可就不好捡起来了。
所以,为了保持自己研究的高效,也顺便调节一下中微子研究的氛围。
陈舟同时进行着极小模型纲领和粒子探测器材料的课题研究。
在陈舟爆肝研究的这一周时间,张一凡那边也顺利“入驻”了那所实验室。
唯一令张一凡感到尴尬的可能就是,那位希望借着陈舟之名,提升一下实验室名气的化学系博士。
在一开始把张一凡误认为陈舟后,就变成连面都不露一下了。
但好在,借着“独立”使用权的名义,张一凡顺利地带着自己的同学们,开始了粒子探测器的材料学实验。
当然,这位化学系博士虽然不露面了,但却没少安排人进行盯梢。
生怕这群毛都没长齐的“小孩”,把他实验室里的昂贵设备给弄坏了。
对于这件事,张一凡也跟陈舟说过。
陈舟的意思是,他来解决。
但张一凡却说,这种事没必要让陈舟再操心了,他之所以说一下,只是让陈舟心里有个数。
他们自己是可以解决这件事的,实在不行,就当做没看到好了。
再者说,陈舟本人是不会在实验室进行实验的,就算是说了又能起什么作用呢?
最本质的问题,是他们在这个实验室,进行相关的实验。
所以,这件事的解决,还在他们自己身上。
当听到张一凡这话时,陈舟的嘴角不自觉地露出了一丝笑意。
果然,这位老同桌,还是靠谱的!
当陈舟一周时间的理论研究一结束,米彻·约翰斯通的电话便打了进来。
不为别的,就是问问陈舟,明天是否会去CERN的对撞机实验室。
陈舟有些哭笑不得的看了看手机,他是没有想到的,有人竟然比他自己,把时间记得还清楚。
当然,陈舟也没有继续闭关研究的意思。
在看了一眼笔尖停留的地方后,他很爽快的回答了米彻·约翰斯通。
明天开始,正式进入CERN的对撞机实验室,开始着手参与这一次寻找重中微子的实验。
第二天,陈舟在晨跑结束后,快速的解决了早饭。
随即便和克罗斯一起,来到了对撞机实验室。
到实验室后,陈舟看了一眼强忍着的克罗斯,忍不住笑道:“想问什么,你就问吧。”
克罗斯闻言,快速问道:“怎么样?理论研究的结果?有没有解决中微子振荡的问题?能不能寻找到重中微子?”
虽然知道对方要问什么,但当对方真的问出这些问题时,陈舟还是没好气的说道:“你真当我是神啊?说解决就解决了?”
克罗斯不好意思地挠了挠头:“你上次解决胶球实验的问题,不就是说解决就解决了嘛……”
陈舟顿时无语,虽然很想反驳,但又觉得对方说的貌似一点问题都没有。
停顿了片刻,陈舟才悠悠说道:“离解决还有段距离,不过,初步的研究成果,还是有一些的,正好借着这次的实验来验证。”
听到陈舟的话,克罗斯顿时眼前一亮,他有些兴奋地说道:“就知道你不会空手而归的,接下来,就让他们这群人见识一下,什么叫做天才吧!”
陈舟无奈的说道:“空手而归可不是这么用的……”
克罗斯却毫不介意道:“反正你明白我的意思就行,这是我新学的成语,以后在华国能用到。”
陈舟摇了摇头,这家伙最近确实挺用心在学汉语的,就怕到时候去了华国,因为沟通耽误了实验进度。
对于这一点,陈舟还是得给克罗斯点个赞的。
顿了顿,陈舟随口又补充了一句:“那个不叫让他们见识一下,什么叫做天才,应该说,是时候表演真正的技术了。”
克罗斯闻言,微微一愣,他扭头看了陈舟一眼,总觉得这话好像在哪听过,却又想不起来了。
现在世界各国大多数高能物理实验合作组,都采用长基线实验方法来测量,并计算中微子振荡,同时寻找相应的中微子粒子。
长基线中微子的振荡实验,首先由高能质子加速器产生强流μ中微子束,并在出口处安装一个近点探测器。
其后在距离中微子流出口L处,安装一个大型远点探测器。
两个探测器的结构,以及探测方法均相同。
以近点探测器测量的中微子相互作用作为标准,然后与在远点探测器测量到的中微子相互作用作比较,就可以判定是否存在中微子振荡,并可知道中微子振荡的模式。
但由于中微子质量很小,其振荡概率很低,所以L要远达上千公里才有一定的灵敏度。
例如日国的K2K与超神冈探测装置的距离在250公里,米国的费米国家加速器实验室和MINOS实验探测装置的距离在730公里。
也因此,这种实验方法才被成为长基线中微子振荡实验。
也因为灵敏度的问题,以及远距离实验的各种因素,才会出现那些“美丽的错误”。
而这一次的寻找重中微子的中微子振荡实验,位于日内瓦的CERN,通过位于意大利地下的探测装置ICARUS和OPERA,来进行实验。
两者之间的距离,大概在730公里左右。
和日国、米国的实验室一样,CERN这边所做的长基线中微子振荡实验,因远点探测器和近点探测器距离,只有几百公里。
要短于理论要求的上千公里,所以实验的精度以及灵敏度,都比较低。
但这是客观的实验条件,暂时无法改变的。
有趣的是,当陈舟跟米彻·约翰斯通问到这件事时。
米彻·约翰斯通立马就表示,他们打算与另一实验室合作,建一所新的远点探测器,从而达到理论要求。
听到这话的陈舟,表情略显古怪的看了米彻·约翰斯通一眼。
反正建不建,跟他的关系又不大,用得着这么急着解释吗?
没有在这个问题上细究,也没有打算详细听一听米彻·约翰斯通已经准备好的说词。
陈舟随即便开始回到实验本身,开始跟米彻·约翰斯通讨论起实验的事情。
他在理论研究上的初步成果,必须要有CERN的这边的配合才行。
要不然,这终归只是白纸上的文字。
只不过,陈舟没想到的是。
在听完了他的描述,并翻阅了研究论文之后。
米彻·约翰斯通两眼放光的说道:“你等着,我马上就去找贝尔托卢奇博士!”
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