【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”

2019-12-28 - 中微子

引言:有一种极其小又极其轻的基本粒子——它既不受电磁力影响,也不受强相互作用力的影响,常规的方法几乎没有办法去探测它。但即便如此,成功抓住了它们的天文学家,还是通过它们揭开了许多宇宙的秘密!

【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”
【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”

知识点I:提出中微子

1911年卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出原子由一个原子核以及核外电子构成。1919年,他用α粒子轰击氮原子核,发现了质子,从而认为原子核由质子和电子组成。但“质子-电子”原子核模型有着致命缺陷。卢瑟福提出可以把一个质子和一个电子看作一个复合体,或是一个单独的电中性的粒子,他把这种粒子称为中子。1932年英国物理学家查德威克在使用α粒子轰击铍的实验中,终于发现了中子。

【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”
【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”

此后,物理学家在研究放射性的过程中发现物质在β衰变过程中所释放出的(由高速电子组成的)β射线的能谱却似乎是连续的,而且电子只带走了总能量的一部分,还有一部分能量不知所踪(电荷守恒而能量和动量不守恒)。

【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”
【中微子是一类神秘的】XLIX:神秘的“中微子”

1931年春,国际核物理会议在罗马召开。会上泡利提出β衰变过程中能量守恒定律仍然正确,能量亏损的原因是有一种小质量的中性粒子将能量带走了。当时有人把这两个中性粒子混为一谈,都叫中子。后来为了区别,恩里科·费米将“泡利中子”命名为“中微子”(名字来源于意大利语neutrino,“微小的电中性粒子”)。“查德威克中子”就叫中子(neutron)。

知识点II:中微子特性

质量很小,在当初的基本粒子模型中它被认为质量为0,后来才认识到接近于0但不为0,上限是电子质量的百万分之一。

电中性,这就意味着它不受电磁力影响。

不受核力影响,早期俘获中微子的实验也均告失败。

有小概率的弱相互作用。中微子的穿透力极强,仅存在很低很低的概率与别的核物质发生弱相互作用。一个中微子要走上一光年的距离,才有50%的概率与这段路程上的物质发生反应。

知识点III:捕捉中微子

由于反应概率极低,因此必须制备足够多的中微子与足够多的反应物质。物理学家认为,每平方厘米内一秒钟能产生超过1万亿个中微子,每小时大约能观测到3次中微子反应事件。

1956年,美国物理学家莱因斯和科万经过多年尝试后用一个巧妙的实验,第一次直接探测到了中微子。他们直到1995年才获得诺贝尔物理学奖。

知识点IV:中微子失踪之谜

太阳核心主要的反应是质子-质子反应,每产生3个光子就会产生2个中微子。(详见XXXIX:太阳为什么会发光?)中微子的穿透力很强,不像光子平均要经过几十万年才能到达光球层,一旦产生就可以接近光速径直地来到地球。每秒钟有1万亿个中微子穿过我们人体,而我们全然无知。

1967年开始,物理化学家雷蒙特·戴维斯在美国南达科他州的霍姆斯德克金矿1500米深的一个地下矿井中进行实验,捕捉太阳中微子。他设计了一个巨大的容器,里面装了610吨四氯乙烯液体,理论上,平均每35天能检测出17个中微子,但是直到1986年,在这个矿井中仅仅捕捉到理论预期的1/3的中微子。

从80年代到90年代,在高加索地区、罗马附近的大索萨、日本的神冈等地建造了多个地下实验装置探测中微子,结果,测到的数量都在理论预测的1/3~1/2之间。

知识点V:超新星的中微子

1987年2月23日晚,距离17万光年的大麦哲伦云中爆发了一颗明亮的超新星,编号为SN1987A。当超新星的消息传到日本后,神冈中微子探测器的研究人员查看了数据记录,发现在光学目标出现前3 个小时,记录到12个高能中微子散射电子的事例(穿越探测器的中微子总量可能有1亿亿个之多)。

随后美国、意大利、苏联的地下探测器也证实在可见光信号到达前记录到高能中微子。这表明引力的坍缩先挤压了质子和电子的空间,产生了中微子,然后才引爆了内核剧烈而迅速的核聚变过程,因此光子的产生时间晚于中微子。

SN1987A的中微子探测开启了中微子天文学,一方面证实了戴维斯的观测结论,另一方面也证明了超新星爆发过程中确实形成了中子星。戴维斯、小柴昌俊荣获2002年的诺贝尔物理学奖。

知识点VI:中微子振荡

构成物质世界的最基本的粒子有12种,包括了6种夸克(上、下、奇、粲、底、顶)、3种带电轻子(电子、μ子和τ子)和3种中微子(电子中微子、μ中微子和τ中微子)。正如电子中微子,在β衰变中伴随β射线(电子)产生,因此伴随μ子诞生的中微子就叫μ中微子,伴随τ子诞生的中微子就叫τ中微子。

1962年,美国的莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格发现第二种中微子——μ中微子,他们在1988年获得了诺贝尔奖。但是第三种中微子直到2000年才由美国费米实验室发现。

一种中微子能够转换为另一种中微子的现象叫做中微子振荡。1985年,日本神冈探测器和美国IMB探测器不约而同发现大气中微子反常现象。2001年,加拿大萨德伯里中微子天文台SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。过去的实验是专门为探测电子中微子设计的,因此只收集到总量的1/3。梶田隆章、阿瑟·麦克唐纳因此获得2015年诺贝尔物理学奖。

知识点VII:中微子天文学

中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与恒星演化、大质量黑洞演化、宇宙的起源与演化有关。小小的中微子已经四夺诺贝尔奖。然而,中微子还有大量谜团尚未解开。比如中微子是如何振荡的,中微子本身的反粒子是否为同一种粒子。中微子还可能与宇宙中反物质缺失之谜有关。现在已经把多波段天文学 引力波天文学 中微子天文学合称为多信使天文学。

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