《自然》：基础物理突破！终于测到中微子尺寸，竟大原子核1000倍

2025年2月12日，《自然》杂志刊登了一项重磅研究成果，科学家们通过一系列观察和实验发现，他们终于测量出了中微子的“尺寸”了。

然而在经过研算后，他们发现中微子的实际空间范围至少有6.2皮米（即千分之一纳米），这个数字远远超出了科学家的预想，超过原子核整整1000多倍。

中微子是一种极其神秘的基本粒子，一秒钟穿过你手上的每一个手指的同时，它们就同时穿过了我们星球上的万亿个原子，并且几乎没有和它们发生任何摩擦，就好像没有一样，甚至就连我们自己都无法感知到它们的存在。

但是科学家们一直都不清楚，为什么中微子如此不受物质影响。

而此次重磅研究的发现，恰好印证了这样的猜想:中微子穿过物质的原因并不是因为它们的体积极小，而是因为它们本身仅仅只负责引力和弱相互作用。

这项重磅研究值得我们去深入探讨一二，究竟是怎样的原理让科学家们发现了中微子的尺寸，这种发现对基础物理学的发展又将起到怎样的推动作用?

测量铍-7衰变。

在粒子物理学中，所有的基本粒子都遵循着量子力学所提供的宇宙法则。

而量子力学的诞生则使我们人类终于可以打开认识自然与粒子世界的一扇新大门，我们既能发现及认识它们，也可以推研它们。

2001年的时候，一个国际合作的小组开始观察铍-7的衰变，而在许多物理学家眼中，这种铍-7作为一种放射性核素，它可以帮助我们推测出有关中微子的更多特征。

该核素并不独特，它在宇宙诞生之前就已经在宇宙中子存在了3亿年，并且在此之后，它仍然可以通过各种过程持续产生。

然而铍-7并不是单独存在于宇宙中的，它与另外六种同位素元素一起共存于铍元素中，并且根据它们随时间推移的衰变方式分布在周围，而我们能观察到其中的一小部分。

尽管铍-7非常稀少，但是足以让我们能够观察它的大部分衰变过程。

其中最重要的一点是，铍元素中的大部分铍-6同位素属于稳定核素，不会随着时间推移产生放射性变化，这样就给了铍-7一个良好的衰变观察机会。

研究小组首先将2548颗铍-6同位素随机分布在一堆锂-7晶体中，随后用激光刺激了这2548颗铍-6同位素，使之发生衰变。

随着这2548颗铍-6核素开始衰变，它们将会变身成锂-7同位素，其中有一部分更容易发生衰变过程。

这一过程遵循一个规则:铍核素将向周围锂晶体中的其他锂原子传递能量。

能量传递后，锂核素将会进入激发态(一种能量充足、处于较不稳定状态的原子状态)，会以发出光子来释放多余的能量，发出光子的锂原子同位素就会转变为稳定同位素，将不会发光。

发光后的锂原子只能以两种方式之一进入发光状态，一种是铍核素提供足够的能量促进其跃迁，另一种是锂原子进入共振态，在这种状态下，锂核子处于不稳定状态，其能级值相对于其他方式要低得多，所以它们会以比其他方式更频繁的概率发出光子。

因此，我们只需根据发光锂原子的数量与其他锂各同位素数量之间的比例，即可计算出共振态占有多少比例，从而得出共振态前面的能级相对于其他能级之前能级差值的结论。

因此，我们就能知道中微子的能级，但是如何才能将量子能级直接转化为粒子的性质呢?

其实中微子的特性就在这儿!

中微子穿过物质不影响的原因。

研究小组认为他们可以用这样的想法作为假设:依次激发锂-7同位素，同时记录下产生光子的数量，从而反推在这些激发同位素之前能级与之后能级之间的数据差，由此可以得出中微子的特性信息。

最终，通过不断的推测和重试，科学家们终于成功地获得了准确性的数据结果:他们得到了比此前预期效果更高4倍的数值。

但是研究小组并未停止于此，而是向下推导了一步:也许如果我们筛选了具有相同自旋状态的这些激发粒子，有可能会得到更高准确度的数据结果。

但很快，他们就发现这个想法是行不通的，因为带有完全相同自旋状态的激发粒子几乎不存在，这个概率几乎与宇宙本身一样微弱。

毕竟什么叫做自旋状态?

自旋状态就是粒子内部带有旋转属性的一种物理状态，与旋转室内同样，粒子的自旋状态是在一定条件下随机产生的，没有任何规律可循。

因此，寻找具有相同自旋状态的激发粒子几乎是不可能实现的，但如果真的能实现这样，那一定会比最开始获得更高精度结果。

所以科学家注意到这里的问题，或许正是因为这种随机性，使得这些数据有很大的误差，于是他们进一步思考更有效的方法，这也是基础研究的重要一步。

于是，他们提出了一种新方法，这种新方法是什么呢?

基础物理学的新发展。

研究小组认为，为了测量基本粒子的特性，就不需要用庞大的实验设备探测大量粒子进行平均值筛查，只需要针对某个基本粒子自己进行使自己发生变化观察即可。

这种想法落地了么?

答案是肯定的!

因为研究小组通过将液体氦置于超流体态下观测到的物理性质也为氦原子的状态提供了极其准确的数据结果，而不需要再建造大型重离子对撞机对大量氦原子进行观测筛查。

这也意味着，对于想要测量基本粒子的特性，我们不用再建造大型探测器，仅仅用小型实验设备就能获得准确结果。

这是一项重大突破!

因为大型实验室不仅投资大、议程还拖沓、大型实验设备运行还极易出意外，适得其反;但小型实验室更加灵活方便，不用担心实验室被大型设备占满，也不用担心建造之后再出意外。

这样即节省资金消耗，又提高工作效率，是基础物理学的一项重大发展。

而本项研究成果更是这种实用方法成功运用到中微子上发生的重大突破!

此前虽然已经有其它中微子研究成功，但是在理论模型演算基础上进行都对实验进行了构建，而此次重大的实验突破则真正完成了理论模型演算之外更进一步。

实际上，中微子的轻质确实意味着它们体积很小，但是如果它们体积极大，那就意味着整个宇宙都应将其包含其中，而不会让它们存在其中。

因此问题又回到主动与被动:中微子不主动参与物质自然不会干扰。

出于这一点，这项研究成果到底会帮助我们发现怎样更加有趣或重要的呢?

答案是基础物理领域的新材料和方法。

当今科学的发展逐渐往“万物互联”的方向发展，这个“万”包括新材料、新领域、新知识等吧!