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科学家为何偏爱中微子

2018-10-29 12:27:19

科学家为何偏爱中微子

原标题:科学家为何偏爱中微子

位于南极的“冰立方”中微子天文台

本报王小龙

今日视点

中微子,这个曾在2011年的“超光速”事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词,近又再次掀起了波澜。

先是去年11月,位于南极的“冰立方”中微子天文台首次确定探测到了来自于太阳系外的深空中微子;而后是今年的2月11日,一组英国科学家对中微子的质量提出了新的见解,认为中微子比先前认知的要重得多。

此外,还有更多的科学家在跃跃欲试,更多的实验设施和探测设备在建设当中,美国费米实验室计划建造长基中微子实验设施,产生世界上强度的中微子束;中国科学院拟投资约20亿元人民币,在广东开平建造世界规模的中微子实验室。自从“上帝粒子”被发现、两名预言者被授予诺贝尔奖后,中微子似乎成了科学家想深入了解的粒子。它到底有何奇妙之处,科学家为何如此偏爱?

中微子是什么?

中微子是一种诡异且孤僻的基本粒子,广泛存在于自然界当中。它不带电,质量极小,几乎不与周围的物质世界发生相互作用,可谓是一个无所不在、又不可捉摸的过客。

它从何而来?

中微子产生的途径有很多,如恒星内部的热核反应、宇宙射线与地球大气层的碰撞、地球上岩石等各种物质的衰变以及宇宙中的超新星爆发等。太阳内部的核反应每秒钟就能产生10的38次方个中微子。

有什么了不起的?

如果要给中微子起一个绰号的话,“熟悉的陌生人”或许比较合适。因为它是目前地球上常见、又不为人所知的一种基本粒子,在物理学标准模型中根本无法对其性质、特征、作用作出解释。

这个独行侠身怀绝技:能轻松穿透人体、岩石、山脉乃至整个行星,在宇宙中、星系间任意驰骋。

这个独行侠与世无争:它不恋红尘、不问世事,所到之处几乎不留痕迹,来无影去无踪,能穿过一光年厚的铅块而不惊扰任何原子。

科学家是怎么找到它的?

虽然中微子行踪诡秘,但常在河边走那有不湿鞋,偶尔还是会有一些中微子会与原子发生碰撞,产生人们可以观察到的信号。为了及时看到这一瞬间,科学家运用大量的水或油并在其中放置大量的传感器,制成一张特殊的。这张虽然无法“住”中微子,但能捕捉到它们与原子碰撞时所发出的微弱闪光。根据这些涟漪般痕迹,科学家可以推测出它们的能量强度,以及从那里来、到那里去等信息。1930年,奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。1956年,美国科学家弗雷德里克莱因斯首次检测到中微子,并因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

在那里能“看到”中微子?

追踪中微子绝不是一件轻松的事情,需要有足够多的经费、足够大的空间,建设足够大的探测器。另外还需要足够多的时间和足够多的耐心,因为那美若烟花般的碰撞瞬间完全是随机发生的。现在,科学家们已经看到许多中微子,它们有的来自肉眼不可见的亚原子世界,有的来自浩瀚的宇宙空间。

为屏蔽来自太空的各种射线和其他背景辐射,中微子探测器一般会选择建造在地底或海底深处。即将开建的中国开平中微子实验室及其主要运转部件——中微子探测器将被埋藏在深达700米的地下洞室里。其中,中微子探测器占地直径达50米、高80米,被建在一个大水池中。

除此之外,目前国外正在运行的较大的中微子探测器有位于南极冰面下的“冰立方”探测器、地中海海底的“心宿二”中微子望远镜、日本的超级神冈探测器、意大利的格兰萨索国家实验室和加拿大萨德伯里中微子观测站。其中一类用来探测自然产生的中微子,一类用来探测核反应堆和加速器产生的中微子。

中微子是什么“味”的?

在对中微子的研究中,科学家们发现中微子总是偏爱和电子、μ子和τ子中的某一种一起被发射和吸收,就像我们喜爱特定口味的冰淇淋一样。因此,科学家们按不同“味道”将中微子分成了电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

而后科学家又发现,在飞行中,中微子会发生“变味”——从一种类型转变成另一种类型,这个过程被称为“中微子振荡”。

到底有多重?

起初,中微子被认为是没有质量的。但后来的研究发现这解释不通,中微子一定是有质量的。但对中微子质量的测量是一件极其复杂的事情,不得不超出现有的标准模型。由于中微子振荡现象,中微子总处于不断变换之中,它们不具备固定的质量,科学家只能计算出量子混合状态中三种中微子质量的总和。目前的数据是,3种类型中微子的总质量应为0.3200.081电子伏特。

速度有多快?

想必绝大多数人都知道3年前的“中微子超光速”是一次乌龙,那么中微子的速度到底有多快?目前的结论仍然是:与光速接近,但并没有超过光速。当然你也可以将其理解为亚光速。

研究中微子有什么用?

对科学家而言,中微子是破译宇宙起源与演化密码重要的“钥匙”,使得我们能够探索某些非常基本的问题,如宇宙整体的质量、为什么世界是由物质而不是反物质组成的等等。

现存的天文学只能让我们看到宇宙大爆炸后38万年的情形,而中微子天文学则能让我们一窥宇宙出生后数秒的奇妙景象。

总之,深入了解中微子的性质既是认识微观世界的需要,也是认识宏观世界的需要,它能为人类打开一扇新的大门。

有实用点的吗?

让人有想象空间的一项应用是中微子通讯。一些科学家设想未来可以开发出一套以中微子为基础的通讯系统,无需线缆和电磁波,也无需任何卫星中继,信息可以轻松穿越海洋、高山,甚至是遥远的外太空,届时地球上任意两点的直接通讯和高效率的星际联络都将成为可能。有人甚至认为中微子通讯还能帮助我们与外星人取得联系。

原标题:科学家为何偏爱中微子

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稿源:人民

作者:

烟钛
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