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解读2015诺贝尔物理学奖中微子会变味

发布时间:2020-01-14 19:53:38 阅读: 来源:调节阀厂家

科学家发现了三种中微子类型,即电中微子、μ中微子和τ中微子,后两者更重,但寿命也更短暂腾讯太空讯 据国外媒体报道,2015年诺贝尔物理学奖公布,来自日本东京大学宇宙射线研究所所长梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大物理学家阿瑟-麦克唐纳(Arthur B. McDonald)共同分享了今年的物理学奖。梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳都在中微子研究方向上取得了突破性的进展,揭开了中微子振荡之谜,在粒子物理学界打开了一个新的方向。值得注意的是,梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳并不是同一个中微子研究小组,阿瑟-麦克唐纳位于萨德伯里中微子观测站,而梶田隆章来自日本的超级神冈中微子探测器。

目前中微子探测器都建造在地下深处和海面之下,这样的环境有利于科学家捕捉到穿过地球的中微子,1998年,科学家梶田隆章发现中微子在抵达探测器之前似乎发生了状态改变,暗示中微子可能与宇宙射线之间存在某种反应,这一过程发生于地球大气层中。同时在地球的另一端,加拿大的萨德伯里中微子天文台在2001年也对来自太阳的中微子进行研究,该研究小组以阿瑟-麦克唐纳为首席科学家,通过实验也证明中微子确实在抵达探测器前发生了状态改变。

阿瑟-麦克唐纳和梶田隆章的实验发现的中微子状态改变属于一种新的现象,即中微子振荡。中微子振荡的猜想已经有理论支持,科学家认为中微子可以在某些味之间进行转化,在中微子旅行过程中,其味可能受到外界的影响而变化。中微子振荡的发现具有深远的意义,因为很长一段时间内,我们认为中微子是无质量的,但实验却证明中微子具有质量,这个发现对粒子物理学影响深远,甚至在我们对宇宙的理解上都有突破性的意义。

事实上我们生活在中微子的世界中,每一秒都有无数中微子穿过我们的身体,我们无法看到和感觉到中微子的存在。中微子之所以有这样的特性,是因为他们几乎不予其他物质发生相互作用。那么中微子从何而来,它的存在对宇宙演化而言有何意义?这是科学家所要追寻的答案。有人认为中微子在宇宙大爆炸之后就已经出现,也有人认为中微子来自各种天体事件,从超新星爆发、大质量恒星死亡到核电反应、天然放射性衰变等都可成为中微子的来源。

即便是我们的身体内每秒钟平均有5000个来自钾同位素衰变释放的中微子,但是达到地球的中微子中,多数是来自太阳这样的恒星核聚变反应产生的中微子,同理,在宇宙中中微子的恒星源产生的中微子最多,仅次于宇宙中的光子。在很长一段时间内,中微子的存在一直没有得到确认,甚至一度认为中微子并不存在,奥地利物理学家沃尔夫冈-泡利很早就提出了中微子存在的理论,从β衰变能量守恒的角度看,可能存在一种神秘的粒子。1930年12月,泡利给其他物理学家写的信中指出,β衰变过程中可能存在一种电中性粒子,其质量非常非常低,通过弱相互作用而存在。

虽然泡利发觉中微子的存在,但连他自己都很难相信宇宙中还可以存在这样的粒子,因此泡利推测自己可能做了一件可怕的事情,假定了一个无法探测到的粒子。不久后,一位意大利物理学家费米证明了泡利的电中性粒子,这就是所谓的中微子。当时还没有人能够预测中微子将彻底改变我们的粒子物理学和宇宙学。到了1950年代,中微子的研究开始进入新的阶段,鉴于大批核电站处于建设之中,中微子也开始活跃起来,毕竟中微子也来自核反应过程。1956年6月,两位美国物理学家在探测器中发现中微子留下的痕迹。

研究进一步发现如同幽灵般的中微子确实存在,它需要一个真正的粒子身份。1960年代,物理学家们计算发现,来自太阳的中微子出现了失踪,大约三分之二的中微子不见了,那么这些中微子哪儿去了?刚开始时科学家认为这可能是计算错误,但是有研究指出,中微子可能在传播途中出现状态变化。根据粒子物理学的标准模型,科学家发现了三种中微子类型,即电中微子、μ中微子和τ中微子,后两者更重,但寿命也更短暂。太阳的中微子形成过程主要形成电中微子,如果电中微子在传播过程中受到影响,转化为μ中微子和τ中微子,那么就可以解释为什么来自太阳的中微子会出现失踪。

鉴于关于中微子的状态改变仅仅是猜测,科学家开始建造更大规模的中微子探测器,更大、更先进的中微子探测器投入使用后就可以捕捉到更多的中微子。为了让探测器与宇宙背景噪声隔离,中微子探测器自然要建造在地下,这样才能避开干扰。但是无论如何进行屏蔽,地球总在宇宙环境中,因此中微子也必定会受到其他来自银河背景因素的干扰,如何从数十亿干扰项中筛选出中微子信号,就成了科学家研究的重点。

1996年,日本东京西北250公里处建造了大型中微子探测器,这就是超级神冈探测器。1999年,建造在加拿大安大略省镍矿遗址的中微子探测器也开始运行,这就是萨德伯里中微子观测站。超级神冈探测器位于地下1000米出,非常深,周围有一个巨大的水箱,灌满了5万吨的水。当然这些水并不是普通的水,而是纯度极高的水,当一束光射入70米后强度才出现减半衰减,如果是普通的游泳池,仅有数米的穿透量。在水池的顶部、四周和底部,科学家安装了1.1万个探测器,用来探测器中微子微弱的闪光。

一般情况下,大部分中微子会穿过水池,一旦中微子与水分子中的原子核和电子发生碰撞,就会发生相互作用。比如电中微子可形成电子,μ中微子可形成μ子,同时还会出现一种幽蓝色的闪光,这就是切伦科夫辐射。有趣的是,切伦科夫辐射形成的基础是一个粒子移动的速度比光速还快,就会形成切伦科夫辐射,根据爱因斯坦的相对论,超光速显然是不被允许的。需要指出的是,在纯水中光速仅为75%,因此其他粒子的速度可超过光速,由此形成了切伦科夫辐射。

在最初的两年运作期间,超级神冈探测器发现了大约5000个中微子信号,已经超过了科学家的预期值,但是与理论值相比仍然有很大的缺口。因为科学家估计中微子具有各向均一型,宇宙中穿过地球的中微子在各个方向上是大致相同的,但是μ中微子的值却出现了异常。在超级神冈探测器顶部探测到的μ中微子和底部有所不同,顶部探测到的μ中微子来自大气层,而底部出现的信号来自穿过地球后抵达日本的中微子,结果发现顶部探测器的信号比底部更多,这说明中微子的穿过地球时发生了某种改变。

研究结果发现,μ中微子在不同传播距离上存在不同的改变,比如顶部探测器发现的中微子行程较短,底部探测器接收到的中微子穿过了整个地球,因此后者由足够的时间进行改变。科学家发现μ中微子可转变为τ中微子,而τ中微子还不在超级神冈探测器的捕获范围之内。

对于加拿大萨德伯里中微子天文台而言,其建造在地下2公里,安装了9500个探测器,周围也有1000吨的重水。使用重水的原因在于氘核比氢核多了中子,增加了中微子碰撞的概率。实验结果发现,电中微子在抵达探测器前已经发生了状态改变。梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳的实验证明,中微子在抵达探测器前确实出现了味的变化,同时也证明了中微子具有质量。

(责任编辑:HT002)

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