【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?

2019-12-28 - 中微子

中微子是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,中微子是一种神秘的基本粒子,不带电,质量极小,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。

【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?
【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?

它能自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星,难以捕捉和探测,因而被称为宇宙中的“隐身人”。太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生10的38次方个中微子,畅通无阻的从太阳流向太空。每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体,甚至在夜晚,太阳位于地球另一边时也一样。

【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?
【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?

这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。1931年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。

【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?
【中微子与夸克关系】关于中微子通信的实用化?

并预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。太阳、宇宙线、核电站、加速器等都能产生大量中微子。中微子的探测比较困难,与其他物质的相互作用十分微弱,被称为“鬼微子”,它们可以轻松地穿过人体、建筑,甚至地球。所以,中微子在概念被提出20几年后,科学家才在实验室中观测到这种神秘粒子的存在。

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、夸克顶,每种夸克有三种色,还有以上所述夸克的反夸克),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)而每一种中微子都有与其相对应的反物质。

粒子间的各种弱相互作用都会产生中微子,而弱相互作用速度缓慢正是造就了恒星体内“质子-质子”反应的主要障碍,这也解释了为什么中微子能轻易的穿过普通物质而不发生反应。

1956年,美国物理学家柯万和莱因斯等第一次通过实验直接探测到了中微子。在近60年中,美国、日本、加拿大、意大利四个国家,共有七人,因发现不同的中微子及其性质而获得诺贝尔物理学奖(没有中国物理学家的贡献)。

中微子天文学是天体物理的一个分支,主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到,大小未知;其次,中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知;第三,中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;第四,它有没有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义,在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发展起来的实验技术和中间成果,使其转化成生产力造福人类,而中微子本身也有可能在21世纪得到应用。

其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面,加上表面建筑物、地形的遮挡,电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子能潜身海底,出入于厚硕无比的金属墙,可以直透地球,遨游太空,真是所向披靡,如入无人之境。

它在穿过地球时其能量损耗只有一百亿分之一,用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一,因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制,就可以使其包含有用信息,在地球上任意两点进行通讯联系,无需昂贵而复杂的卫星或微波站。因此是一种十分诱人的理想信息载体。

应用之二是中微子地球断层扫描,即地层CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加,用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层,与地层物质作用可以产生局部小“地震”,类似于地震法勘探,可对深层地层也进行勘探,将地层一层一层地扫描。

中微子通信有着很高的应用价值,如果采用中微子束通信,则将为海军对潜艇进行保密通信提供强有力的手段;即使是发生了热核战争,安置在岩石深处的指挥部的中微子束发射机不会受到原子弹的破坏,还能正常工作;地质学家用中微子波束可给地球拍照,寻找地壳中的矿藏资源。

中微子通信除用于全球人类通信外,还可以穿透月球,与月球背面的空间站联系,或者作为“特殊信使”,遨游太空,与在宇宙中飞行的宇宙飞船直接联系,为人类征服宇宙服务。科学家还设想发射中微子讯号让它在太空中穿行,去寻找外星人。

位于中国深圳的大亚湾核电站具有得天独厚的地理条件,是世界上进行这一测量的最佳地点。由中国科学院高能物理研究所领导的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动,联合了国内十多家研究所和大学,美国十多家国家实验室和大学,以及中国香港、中国台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。

实验总投资约3亿元人民币,2011年建成。它的建成运行将使中国在中微子研究中占据重要的国际地位。大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳曾在北京宣布,大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。

该发现被认为是对物质世界基本规律的一项新的认识,对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用,并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。

将中微子应用于通信,也像其他通信方式一样,是将中微子作为信息的载体。我们所要传送的语音、图像、数据等一类信息,都要通过一种叫“调制”的技术将它们“驮载”在中微子束上,藉中微子那种所向无阻的威力,把信息传送到目的地。

然后再用一种叫“解调”的技术,把信息从中微子束中分离出来,还其本来面目。从这点上讲,似乎中微子通信在原理上与其他通信方式没有两样。但要让中微子通信投入实际应用,仍然有许多有待进一步解决的问题,例如,如何用较简便的方法获得一些能量极高而又有足够束流强度的中微子束,以及如何对它进行有效的控测和放火等,都是目前人类技术难以实现的。

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