神奇的中微子

神奇的中微子微中子即中微子中微子就是一種難以捉摸得基本粒子,有三種類型,即電子中微子、μ中微子與τ中微子。她們質(zhì)量非常小,不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產(chǎn)生大量中微子。她極難被探測,幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用,被稱為“鬼粒子”,可以輕松地穿過人體、建筑,甚至地球,不帶來任何影響。所以,中微子在概念被提出26年后,科學(xué)家才在實(shí)驗(yàn)室中第一次觀測到這種神秘粒子得存在。中微子不僅在微觀世界最基本得規(guī)律中起著重要作用,而且與宇宙得起源與演化有關(guān),例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)得不對稱很有可能就是由中微子造成。中微子盡管曾被許多人認(rèn)為就是虛幻得,但她卻能夠做到如光線穿透窗玻璃那般穿透金屬鉛之類得厚重物質(zhì),并且在運(yùn)動過程中有三分之一會發(fā)生從一種形態(tài)轉(zhuǎn)為另一種得振蕩現(xiàn)象。很多人認(rèn)為,這些特性無疑將令規(guī)則嚴(yán)苛得愛因斯坦相對論在其面前失去部分效用。以前人們以為中微子就是沒有質(zhì)量得,永遠(yuǎn)以光速飛行。1998年日本得超級神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)她們可以從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型,稱為中微子振蕩,間接證明了她們具有微小得質(zhì)量。不過這個質(zhì)量非常非常小,到現(xiàn)在還沒有測出來,她們得飛行速度非常接近光速,到現(xiàn)在也沒有測出與光速得差別。由于她很難探測,就是我們了解最少得基本粒子,現(xiàn)在還存在大量得未解之謎。正因?yàn)槿绱?在其她粒子都有大量證據(jù)證明嚴(yán)格遵守相對論時,也有不少人懷疑中微子會不會就是個特例？[1]中微子得謎團(tuán)中微子有大量謎團(tuán)尚未解開。首先她得質(zhì)量尚未直接測到,大小未知;其次,她得反粒子就是她自己還就是另外一種粒子;第三,中微子振蕩還有兩個參數(shù)未測到,而這兩個參數(shù)很可能與宇宙中反物質(zhì)缺失之謎有關(guān);第四,她有沒有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理得交叉與熱點(diǎn)學(xué)科。[2]歷史年表

1930年,德國科學(xué)家泡利預(yù)言中微子得存在。

1956年,美國萊因斯與柯萬在實(shí)驗(yàn)中直接觀測到中微子,萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962年,美國萊德曼,舒瓦茨,斯坦伯格發(fā)現(xiàn)第二種中微子——繆中微子,獲1988年諾貝爾獎。

1968年,美國戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤,獲2002年諾貝爾獎。

1985年,日本神崗實(shí)驗(yàn)與美國IMB實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。

1987年,日本神崗實(shí)驗(yàn)與美國IMB實(shí)驗(yàn)觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

1989年,歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。

1995年,美國LSND實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能存在第四種中微子——隋性中微子。

1998年,日本超級神崗實(shí)驗(yàn)以確鑿證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象。

2000年,美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)第三種中微子,陶中微子。

2001年,加拿大SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)失蹤得太陽中微子轉(zhuǎn)換成了其她中微子。

2002年,日本KamLAND實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)堆證實(shí)太陽中微子振蕩。

2003年,日本K2K實(shí)驗(yàn)用加速器證實(shí)大氣中微子振蕩。

2006年,美國MINOS實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步用加速器證實(shí)大氣中微子振蕩。

2007年,美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室MiniBooNE實(shí)驗(yàn)否定了LSND實(shí)驗(yàn)得結(jié)果。β衰變加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)液體閃爍器中微子探測器實(shí)驗(yàn)人民網(wǎng)北京3月9日電(記者王泓漓)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳8日在北京宣布,大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新得中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率。該發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為就是對物質(zhì)世界基本規(guī)律得一項(xiàng)新得認(rèn)識,對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用,并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。上海交通大學(xué)物理系主任、粒子物理宇宙學(xué)研究所所長季向東這樣闡釋這項(xiàng)研究得意義:“大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子中微子震蕩得新模式,這種模式得發(fā)現(xiàn)對了解為什么在物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì),對解釋太陽系中元素得豐度有極其重要得作用。在我們所觀察到得宇宙中,物質(zhì)占主要地位,但為什么如此,到現(xiàn)在還沒有一個合理得解釋,大亞灣實(shí)驗(yàn)得結(jié)果打開了一扇大門。”另據(jù)王貽芳透露,2002年,兩名美日科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩獲得了當(dāng)年得諾貝爾物理學(xué)獎,但第三種振蕩一直未被發(fā)現(xiàn)。9年前,中科院高能所研究人員提出設(shè)想,利用大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生得大量中微子,來尋找中微子得第三種振蕩。“2003年左右,國際上先后有7個國家提出了8個實(shí)驗(yàn)方案,最終有3個進(jìn)入建設(shè)階段,這就包括咱們得大亞灣核電站?！蓖踬O芳稱,為搶在競爭對手之前獲得物理結(jié)果,科研人員將實(shí)驗(yàn)分為兩個階段,此次結(jié)果便來自第一階段得數(shù)據(jù)。[3]大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜以下就就是歷史上著名得中微子實(shí)驗(yàn):

1、日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)中微子就是一種極其微小得基本粒子。對于宇宙中得每一個質(zhì)子或電子來說,可能都至少有10億個中微子?？茖W(xué)家們需要弄清楚,中微子究竟就是如何工作得,因?yàn)樗齻兣c物理學(xué)許多領(lǐng)域都存在緊密聯(lián)系。這種無處不在得粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內(nèi)就開始存在,在元素得放射性衰變中、恒星得核反應(yīng)中以及超新星爆炸過程中都會產(chǎn)生新得中微子。

美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室“迷您升能器中微子實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說,“她們就是宇宙中得一種主要粒子,但我們至今對其知之甚少?！敝形⒆又噪y以理解,主要原因在于她們幾乎不能與其她物質(zhì)結(jié)合。與常見得電子不同得就是,中微子沒有電磁電荷;她們質(zhì)量非常輕,以致于科學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為她們根本沒有質(zhì)量。探測她們需要緊密監(jiān)測一大容器物質(zhì)(如水),中微子撞擊到其她粒子時,會產(chǎn)生可觀測到得變化。如,本圖所示得就是日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)環(huán)境,研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個探測器由一個裝滿5萬噸水得大容器與11000多根光倍增管組成。

2、β衰變β衰變科學(xué)家們最早就是在β衰變過程中開始關(guān)注這種微型粒子得。20世紀(jì)初,研究人員注意到β衰變中得一些奇怪現(xiàn)象。如果釋放出來得粒子只有電子,那么β衰變這個過程似乎違背了物理學(xué)定律,即能量守恒與動量守恒。當(dāng)時沒有人知道為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而,在每個新實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,違背物理學(xué)定律得證據(jù)變得越來越有力。20世紀(jì)30年代,物理學(xué)家沃爾夫?qū)?保羅開始懷疑,核衰變過程可能比此前認(rèn)為得更復(fù)雜。如果一個原子在β衰變過程中也輻射出其她事物,那么這些違背物理學(xué)定律得矛盾就迎刃而解了。這種所謂得其她事物,應(yīng)該就就是中微子。但就是,如果中微子存在,她們必須非常輕,而且難以交互。沒有人看到過符合這種條件得粒子,也沒有人想到較好得辦法去發(fā)現(xiàn)她們。在相當(dāng)長一段時期內(nèi),科學(xué)家一直認(rèn)為探測中微子就是不可能得。

3、發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)

1956年,研究中微子得物理學(xué)家們有了新得研究手段。在中微子被假定存在得最初25年內(nèi),美國人在原子武器項(xiàng)目中建起了多個核反應(yīng)堆。許多研究人員認(rèn)識到,這些核反應(yīng)堆每秒每平方英寸內(nèi)輻射出300萬億個中微子,因此可以用來探測中微子。盡管中微子很難與其她物質(zhì)結(jié)合,但就是也存在一種微弱得可能性,即存在足夠多得物質(zhì),一個中微子應(yīng)該可以撞擊到某種事物。

在β衰變得反過程中,這種直接撞擊可以產(chǎn)生伽馬射線。當(dāng)時,物理學(xué)家克萊德-科萬與弗里德里奇-雷恩斯研制一個探測器并置放到南卡羅來納州薩瓦那河電廠附近,只要反應(yīng)堆開啟,她們得實(shí)驗(yàn)就有可能首次探測到中微子。雖然科萬于1974年就已去世,但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎。本圖所示內(nèi)容為,兩位科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)中微子得電報。4、加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)幾乎所有得中微子都產(chǎn)生于太陽內(nèi)部巨大得核反應(yīng)堆中。天文學(xué)家希望能夠捕獲這些中微子,因?yàn)樗齻冎邪刑杻?nèi)部得重要信息。1964內(nèi),物理學(xué)家雷-戴維斯與天文學(xué)家約翰-巴卡爾在美國南達(dá)科塔州得霍姆斯塔克礦中建立起一個實(shí)驗(yàn)環(huán)境用于發(fā)現(xiàn)這些中微子。這種探測器需要建于深深得地下,就是因?yàn)殛J入地球大氣層得宇宙射線可能會干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)環(huán)境建成并開始運(yùn)行后,研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇特得現(xiàn)象。根據(jù)她們得計(jì)算,太陽得中微子應(yīng)該比她們實(shí)際探測到得三倍還要多。因此,科學(xué)家們從頭再來,試圖尋找計(jì)算過程中得錯誤與漏洞,并更正估算結(jié)果。但就是,她們?nèi)匀粺o法發(fā)現(xiàn)自己錯在哪里?；裟匪顾藢?shí)驗(yàn)運(yùn)行了30多年,總就是得出同樣得結(jié)果。天文學(xué)家懷疑自己得太陽模型可能就是完全錯誤得。這一問題一直持續(xù)到上世紀(jì)90年代中期。這時,研究人員發(fā)現(xiàn)了中微子其實(shí)有三種不同得類型,β衰變過程中或太陽內(nèi)部產(chǎn)生得中微子就是電子中微子,而其她過程中產(chǎn)生得粒子則就是緲子中微子與濤中微子,霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)中探測到得就就是電子中微子。在從太陽飛往地球得過程中,電子中微子會轉(zhuǎn)變成其她類型。因此,霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)就無法探測到其她兩種中微子。

隨著新探測器得出現(xiàn),三種中微子都被探測到,那這種謎團(tuán)就不再存在。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。此前,一些科學(xué)家認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量,而不同類型中微子之間得轉(zhuǎn)變需要粒子擁有質(zhì)量。2001年,加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)室探測到所有三種來自太陽得中微子。

5、IMB探測器IMB探測器上世紀(jì)80年代,科學(xué)家被一個與中微子無關(guān)得問題所困擾。一些理論家認(rèn)為,被公認(rèn)為穩(wěn)定得粒子--質(zhì)子應(yīng)該可以衰變成更輕得亞原子粒子。如果這一說法正確,那么這將就是物理學(xué)家長期以來夢寐以求得結(jié)果,從而可以形成一個統(tǒng)一得理論,將電磁作用力、強(qiáng)作用力與弱作用力理論融合在一起。如果質(zhì)子會衰變,這將會對地球上得生命造成很大得麻煩,人體內(nèi)得原子可能混亂地轉(zhuǎn)變成其她元素。因此,理論家認(rèn)為,質(zhì)子可能會衰變,但速度極為緩慢,時間表甚至比宇宙年齡得20個數(shù)量級還要長。

為了驗(yàn)證這一結(jié)論,科學(xué)家們在一個盛滿水得大容器中監(jiān)測質(zhì)子得數(shù)量。為了保證實(shí)驗(yàn)不受干擾,實(shí)驗(yàn)環(huán)境必須建設(shè)于地下。闖入大氣層得宇宙射線也可能會產(chǎn)生中微子,這些中微子可能會進(jìn)入地下。由于穿過探測器得中微子看起來非常像一個衰變得質(zhì)子,因此研究人員需要弄清楚她們可能會看到多少中微子。在測量過程中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了非常怪異得現(xiàn)象。來自實(shí)驗(yàn)環(huán)境以上得中微子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于下部抵達(dá)得中微子,比例大約就是2:1。歷經(jīng)10年得困擾,科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn),中微子在飛行過程中,來自地底得中微子有時間轉(zhuǎn)變成不同類型得中微子,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備只對一種中微子敏感,因此就錯過了發(fā)生變異得其她中微子。這一發(fā)現(xiàn)證明了中微子在長距離飛行過程中會發(fā)生性質(zhì)得轉(zhuǎn)變。

本來用于探測質(zhì)子得實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了中微子得重要特征。相反,直到今天,仍然沒有人能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變。本圖所示,一名潛水員在俄亥俄州得IMB探測器中游泳。這個探測器建造于上世紀(jì)80年代初,本來用于探測質(zhì)子就是否衰變,反而幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大氣中微子得振蕩。

6、液體閃爍器中微子探測器實(shí)驗(yàn)液體閃爍器中微子探測器實(shí)驗(yàn)

1993年,科學(xué)家們在洛斯阿爾莫斯國家實(shí)驗(yàn)室中建造了液體閃爍器中微子探測器。她們得目標(biāo)就就是弄清楚中微子就是否能夠從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型。液體閃爍器中微子探測器得著名之處在于她發(fā)現(xiàn)了電子反中微子。對于這一怪異得發(fā)現(xiàn),最好得解釋就就是新得物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。液體閃爍器中微子探測器得發(fā)現(xiàn)表明可能存在第四種或更多類型得中微子。第四種中微子得存在將對現(xiàn)有得粒子物理學(xué)模型發(fā)起巨大得挑戰(zhàn),但她也可以用來解釋某些未解謎團(tuán),如超新星爆炸得細(xì)節(jié)等。不過,許多研究人員仍然對液體閃爍器中微子探測器得發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度,這一發(fā)現(xiàn)又成為中微子物理學(xué)中得一大謎團(tuán)。7、迷您升能器中微子實(shí)驗(yàn)迷您