跟随哥伦比亚大学物理学教授了解宇宙中的神秘物质——中微子

在本问答中，乔治亚·卡拉乔吉（Georgia Karagiorgi） 解释了她对中微子和粒子物理学的迷恋，并描述了她希望在芝加哥附近的费米实验室加速器中学到的东西

哥伦比亚大学物理学副教授乔治亚·卡拉乔吉（Georgia Karagiorgi）说，亚原子粒子听起来可能很神秘，但它们是我们世界中必不可少的、甚至是相当美丽的一部分。  

“一切都是由粒子组成的，”她说，“如果不是它们，我们就不会在这里。它们为我们提供了一个简单而优雅的指引——一组积木和规则——我们可以从中推导出我们周围的一切。” 

与哥伦比亚大学教授迈克尔·沙维茨（Michael Shaevitz），卡拉乔吉在芝加哥附近的美国国家粒子加速器实验室——费米实验室 (Fermilab) 长期寻找新型中微子的其中一部分。中微子是由太阳等恒星的核反应自然产生的基本粒子，或在核反应堆和粒子加速器中人工产生的基本粒子。中微子类似于电子，但几乎没有任何质量和电荷。 

在过去的二十年里，物理学家已经确定，中微子可以在三种已知的弱相互作用状态之间翻转或振荡——介子-中微子、tau-中微子和电子-中微子。在费米实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室之前的中微子实验中已经发现了第四种中微子类型的线索，而卡拉乔吉和沙维茨现在正在寻求确认或反驳它的存在。 

卡拉乔吉说，有一件事是肯定的：如果存在第四种类型的中微子，它不会像它的三个已知的相关微子那样与物质相互作用。确认一个所谓的惰性中微子将挑战粒子物理学的“标准模型”，该模型已经成立了 60 年。费米实验室的MicroBooNE实验结果预计将很快公布，揭开谜底。与此同时，费米实验室将启动一项相关的、更敏感的无菌中微子搜索，即短基线中微子计划。卡拉乔吉和沙维茨也参与了那个实验。

问 ：粒子物理学的标准模型是什么？中微子适用于什么地方？ 

卡拉乔吉：就像化学元素周期表一样，它是构成物质的所有已知基本粒子的目录。粒子按它们的特性（如内在自旋、质量和电荷）进行组织，这使我们能够了解它们的潜在的动力学原理以及它们如何相互作用。自 1960 年代以来，这个理论框架一直具有惊人的预测性。它经受住了数百次实验和测量的考验。 

然而，它无法解释我们对太空中暗物质或中微子从一种状态转变为另一种状态的观察。如果中微子没有质量，正如标准模型所规定的那样，它们就不能振荡。标准模型的扩展现在可以容纳中微子振荡，但无菌中微子将是另一个挑战。

问：你不能直接观察中微子。那么你如何隔离和研究它们呢？ 

卡拉乔吉：中微子不留痕迹地穿过我们的探测器，但它们时不时地与原子核正面碰撞。随后的爆炸通常会产生带电粒子的喷射——电子、介子和/或质子。每个带电粒子都会在带电粒子的路径上留下由受激原子产生的闪烁光和电离电子的踪迹。通过检测这些轨迹，我们通常可以推断出中微子的存在、它的身份、以及它行进的速度和方向。 

问：这个领域有什么让你着迷的地方？

卡拉乔吉：它是最好的创造性问题解决方案。你首先仔细地提出一个问题，弄清楚如何回答它，找到答案（这可能需要数年时间）， 然后证明你是对的。没有单一的方法可以找到正确的答案，但你必须确保它是正确的。当我还是一名本科生时，我就知道这是适合我的领域，当时我用储物柜中的零件建造了一台宇宙射线μ子望远镜。我和一位朋友一起度过了一个夏天，提出了有关宇宙射线 μ 子的问题，并运用我们的望远镜来回答这些问题。我们建造了一组旋转的胶合板袋来测量作为方位角函数的 μ 子通量，并在佛罗里达理工学院最高建筑的防火梯上上下拖动我们的装置来测量有多少 μ 子被吸收作为天花板数量的函数在我们之上。

问：你最喜欢的粒子是什么？为什么？

卡拉乔吉：我职业生涯的大部分时间都在研究中微子是有原因的。它们难以捉摸且难以研究，关于它们的特性，我们仍有很多问题需要回答。中微子可以解决关键的基本问题，比如为什么我们的宇宙由物质而不是反物质主导。

问：MicroBooNE项目 的目标是什么？ 

卡拉乔吉： MicroBooNE项目有两个目标：推进一种新颖的探测器技术，并跟踪其前身实验观察到的长期异常信号。如果我们能够确认这个异常信号，我们可能会发现其他中微子状态或特性，表明自然界中存在一类新的粒子或力。

问：做这项研究最困难的部分是什么？

卡拉乔吉：耐心。中微子几乎不与其他物质相互作用。中微子在相互作用之前很有可能穿越 200 个地球。因此，为了研究它们，我们需要极强的中微子束和运行多年的大型探测器，以便收集具有足够相互作用的数据，从而得出具有统计意义的结论。从中微子实验的设计到真正的发现，可能需要十多年的时间。

问：是什么让您在完成博士后和部分博士学位后回到哥伦比亚大学？ 

卡拉乔吉：群体意识、在我的研究方向上自由发挥创造力，以及环境：纽约市是一个充满活力的地方。它总是在改变和重塑自己。就像科学本身一样，它可以教会我们有关世界的新事物。

问：对考虑从事物理学职业的女性有什么建议吗？

卡拉乔吉：放手去做吧。

问：你在 Nevis Laboratories 工作，那里距离 Morningside Heights 仅有很短的通勤路程。你的典型的一天是什么样的？

卡拉乔吉：走进实验室，就像回到了 1950 年代和 60 年代粒子物理学的黄金时代。在办公桌抽屉里找到 1990 年代的 CERN 电话簿，或者在柜子里找到 1970 年代气泡室实验的电影，这并不罕见。与 CS Wu、Leon Lederman、Melvin Schwartz、Jack Steinberger、James Rainwater 等传奇物理学家走在同一条走廊上时，您会情不自禁地感到受到启发。典型的一天包括不太受欢迎但不可避免的连续 Zoom 调用、代码调试、要更新的电子邮件、修补电子板，以及在更有趣的日子里，玩数据并尝试破译！

新闻来源：https://news.columbia.edu/news/searching-ghostly-neutrinos

编译：Amy国王