中微子有多重[文檔資料]

中微子有多重 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 是否能深刻了解一種基本粒子，這種基本粒子似乎沒有質(zhì)量，也幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。這個任務(wù)聽起來就像是要在自家的車庫里找到那條隱身的、噴出無聲無色也沒有溫度的火焰的龍，既荒謬又不可能?，F(xiàn)在一群粒子物理學(xué)家就面臨著這樣的困境，他們要研究一種鬼魅般的粒子 中微子，他們想知道中微子到底有多重。 雖然宇宙中的謎團還有很多，暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)問題卻一直困擾著物理學(xué)家。人們目前對這兩 個謎團還知之甚少，甚至連暗物質(zhì)的構(gòu)成形式（是不是和普通物質(zhì)一樣是由基本粒子構(gòu)成）還不能完全肯定，對中微子卻不同，這種基本粒子因為極其微小，卻又如此常見，對它的深入研究對于理解宇宙的起源和演化過程都有著極為重要的作用。實際上，中微子的確切質(zhì)量成為一個物理學(xué)問題也只有十幾年時間，在此之前，物理學(xué)家們一直以為中微子沒有質(zhì)量。 中微子被發(fā)現(xiàn)的過程與眾不同。 1930 年 12 月，物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利（ Wolfgang Pauli）為了解決 beta 衰變過程中的質(zhì)能不守恒問題，在給一個學(xué)術(shù)會議的信件中首次預(yù)測了一 種不帶電基本粒子的存在，他最開始命名這種粒子為“ 中子 ” （ Neutron），但是這個名字隨后在 1932 年被查德維克發(fā)現(xiàn)的目前人們所熟知的中子占用，隨后被恩里克 費米改名為中微子（ Neutrino）。費米采用了泡利關(guān)于中微子的預(yù)測，并且把它用到自己在 1934 年發(fā)表的關(guān)于 beta 衰變的理論中。可是問題在于，人們?nèi)绾稳グl(fā)現(xiàn)一種不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用又極為輕盈的基本粒子？泡利甚至擔心自己做了一個永遠也不可能被驗證的科學(xué)假設(shè)。 所幸隨后研究核裂變的實驗為物理學(xué)家提供了大量的中微子，在 20 世紀 50 年代，伴隨著 核武器的研究，物理學(xué)家們開始建設(shè)一些靈敏的液態(tài)中微子探測器，試圖收集中微子與液體原子發(fā)生相互作用的閃光信號，最終才在美國加州南部的一個實驗室里，為了隔絕宇宙射線的干擾，在 12 米地下的一個核反應(yīng)堆附近，利用一個含鎘的探測器成功證明了中微子的存在。 至今為止，諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)三次授予因為對中微子研究做出重要貢獻的科學(xué)家，可是人類至今對于中微子的性質(zhì)仍然了解得極其有限。直到發(fā)現(xiàn)中微子 30 多年之后，在1998 年人類才發(fā)現(xiàn)它具有極其微小的質(zhì)量。物理學(xué)家們了解到，雖然在標準粒子模型中中微子與電子等基本粒子同 屬于輕子類別，但中微子的質(zhì)量還不到電子質(zhì)量的百萬分之一。在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的三種中微子 電子中微子、 muon 中微子和 tau 中微子之間，人們還不知道它們的具體質(zhì)量各是多少，甚至也不知道這三種中微子哪種最重，哪種最輕，它們之間的質(zhì)量關(guān)系是什么；而且如果 muon 中微子和 tau 中微子像有些物理學(xué)家預(yù)測的一樣，具有相同的質(zhì)量，那么就說明它們內(nèi)部還有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使這兩種粒子區(qū)分開，也就說明中微子并不是不可分的基本粒子。就是因為了解得太少，實驗中也就更容易出錯， OPERA 實驗項目在 2011 年曾經(jīng)爆出冷門，探測到了速度超光 速的中微子，舉世轟動，但是后來證明也只是實驗器材出錯，虛驚一場而已。 測量不同種類的中微子的精確質(zhì)量，關(guān)系到一個更加重要的問題：中微子為什么會具有質(zhì)量？實際上，目前描述所有基本粒子性質(zhì)的標準粒子模型，在最初正是為了預(yù)測中微子不具有質(zhì)量，隨后標準粒子模型不得不進行修改，使中微子可以具有質(zhì)量。但是中微子得到質(zhì)量的方式似乎也與其他粒子不同，人類發(fā)現(xiàn)的其他絕大多數(shù)粒子似乎都是通過與遍布宇宙中的希格斯場發(fā)生相互作用而具有質(zhì)量，中微子似乎并不能夠與希格斯場發(fā)生相互作用，那么它只能通過另外一種機制而獲得質(zhì)量，如 果可以測量出它們的精確質(zhì)量，很多粒子物理學(xué)家就可以迅速修正他們的理論。 還有另外一個難題困擾著物理學(xué)家，中微子是否就是它們自身的反物質(zhì)？目前人們已經(jīng)探明，基本粒子都擁有自己的反粒子，當一個粒子與它的反粒子相遇就會發(fā)生湮滅現(xiàn)象，如果中微子既是正物質(zhì)又是反物質(zhì)，是它自身的反粒子，那么當兩個中微子相遇，它就會與其自身發(fā)生湮滅，如果可以證實這一點，也可以幫助物理學(xué)家解釋，為什么在宇宙中理應(yīng)數(shù)量相當?shù)恼次镔|(zhì)相差巨大，在宇宙演化中，正物質(zhì)是如何勝出的。 在美國費米國家實驗室正在進行的一個名為 NOvA 的中微子實驗項目，正是打算通過從伊利諾伊州旅行到明尼蘇達州的中微子束精確測量中微子的質(zhì)量。費米國家實驗室的物理學(xué)家們使高速運動的質(zhì)子打入碳原子核，這個過程會碰撞產(chǎn)生出一些新粒子，這些粒子隨后會發(fā)生衰變，產(chǎn)生出中微子。這些中微子會從伊利諾伊州穿過地球，經(jīng)過 800 公里的路程后，到達明尼蘇達州。在這個過程中，一些中微子會發(fā)生振蕩 改變身份變成另外一種中微子，粒子物理學(xué)家想通過探測中微子的振蕩比例來測量它們的精確質(zhì)量。 在明尼蘇達州建設(shè)的電子中微子探測器重達 1.4 萬噸，由排列成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的內(nèi)部充滿液體的 塑料管構(gòu)成，這已經(jīng)是世界上最大的塑料結(jié)構(gòu)裝置。盡管絕大多數(shù)中微子都只是會穿過這個探測器不留下任何痕跡，但在極其特殊的情況下，不同類型的中微子會與探測器中的液體原子發(fā)生相互作用，使原子釋放出不同類型的粒子，如果釋放的是一個電子，探測器就會發(fā)出閃光，記錄探測到一個電子中微子。盡管這種情況每天只會發(fā)生幾次，但是經(jīng)過長期記錄數(shù)據(jù)之后，就可以建立起從費米實驗室出發(fā)的 muon 中微子振蕩成為電子中微子的模型，這可以為物理學(xué)家計算中微子的確切質(zhì)量提供新線索。 NOvA 實驗可以同時測量中微子和反中微子，它將比較這兩種粒子發(fā)生振 蕩的差別，同時也與其他中微子實驗項目進行數(shù)據(jù)比較。 2014 年 9 月 24 日，中國科學(xué)院國家天文臺、加拿大理論天體物理中心和中科院上海天文臺的幾位物理學(xué)家在物理評論快報（ PRL）雜志發(fā)表論文通過相對速度測量中微子質(zhì)量（ Measurement of Neutrino Masses From Relative Velocities），他們認為中微子在引力作用下，相對于冷暗物質(zhì)和普通物質(zhì)會產(chǎn)生一個較大的速度場，通過精密觀測星系大尺度結(jié)構(gòu)，有可能測出中微子的質(zhì)量，這也為測量中微子的質(zhì)量提供了另外一個理 論方法。 太陽本身就是一個巨大的中微子發(fā)射源，地球上的人類始終沉浸在中微子的密雨中無處躲避，