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天问专栏:撼动宇宙的小粒子——中微子

2018-03-13 10:13:41 来源:网络 浏览: 评论: [ ]

  不只赋予我们光,还发射了无数中微子,穿过我们的身体chd。图片来源:NASA

  导读:

  来自大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落,而上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”,去给宇宙中微子们“称重”。

  天问专栏第十六期,带你走进中微子称重现场。

  撰文 | 刘 佳 (普林斯顿大学)

  责编 | 吕浩然

  知识分子为更好的智趣生活ID:The-Intellectual


  一个静谧的午后,我正试图向妈妈解释什么是中微子。

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  “如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”

  “700亿?!”听到这个数字,妈妈吓了一跳,赶紧把手揣回口袋。

  可事实却是,妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用:一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球原文www.qi-wen.com。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒,“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦!”

  “不过不用担心,”我告诉妈妈,“中微子是无害的。”

  然而,这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

  消失的能量——中微子的发现

  我们目前知道的有四种力:引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部,所以我们平时都感受不到。除了引力,中微子只参与弱力(比强力弱非常非常多),它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙,也不撞上任何其它粒子!

  也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应,很长一段时间,我们都不知道它的存在。

  1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子(n p e)的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差www.qi-wen.com。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!

  这是怎么回事?物理学家们开始怀疑物理定律,觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

  1930年12月4日,在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利(Wolfgang E.Pauli,1900 - 1958)让朋友在会上宣读了一封他的信,建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说,中子衰变后,除了质子和电子,还有第三个粒子被制造出来。

  鲍利1930年来信原文,图片来源:CERN

  在信的最后,鲍利解释自己为什么无法亲自出席会议,“因为我在瑞士苏黎世有个派对要去”——“噗,生活蛮惬意的嘛!”我心想。不过我猜也许他怕被大家炮轰,所以随便找个借口也不一定。

  他在信里补充说,“我的建议实在不可信,如果真是这样的话,我们怎么还没观测到那个新粒子呢?”他后来也一直觉得这个猜测太离谱,根本就没有花时间把它写进论文里推荐www.qi-wen.com。倒是在1934年,费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)觉得这个想法不错,就把这颗新粒子加进了他的β衰变理论里,并取名为“中微子”(neutrino)–––来自意大利语,意为“中性的微小粒子”。

  在鲍利猜想后的第26年,中微子终于在1956年被科温(Clyde Cowan,1919 - 1974)和莱因斯(Frederick Reines,1918 - 1998)等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器,发现从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用,发生β衰变并产生伽马射线和中子。鲍利在这次发现不久后去世,也算是幸运地在有生之年看到了中微子的成功探测。

  太阳中微子谜题——中微子震荡

  上世纪六十年代,问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克(Homestake)实验奇~闻~网。当时也已经有了比较完善的标准太阳模型,可以通过计算太阳中心核聚变的速率,推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来[1]。

  但是在地球上探测到的太阳中微子,却只有预测的三分之一。人们怀疑:不是太阳模型的理论错了,就是中微子实验出了毛病!不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了?

  然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错,中微子探测实验结果也没错!问题出在中微子身上,它们比我们想象中的要更有趣!

  “中微子振荡”解释了这个谜题的答案。中微子有三种“味”,分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。当然这里说的“味”不是味觉的“味”,而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”(也就是振荡)。

  太阳内核只生产电子中微子,但是电子中微子在穿越真空来到地球的过程中会来回“变味”——有时是渺子中微子,有时是陶子中微子,有时变了一圈又回到电子中微子q.i.-.w.e.n.c.o.m。所以当它们被地球上(只能探测到电子中微子)的探测器所捕获时,已经有2/3的电子中微子变成了另外的味。

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