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超有“魅力”的基本粒子,引發(fā)一樁失蹤迷案?

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中微子可能是最有魅力的基本粒子了,從它被提出來為止,就不斷的刷新人類的認知。甚至至今還有諸多關(guān)于中微子的謎團沒有解開。今天我們來說其中一個。

每時每刻都有大量的中微子從我們的身體穿過,這些中微子最大的來源是哪里呢?就是太陽。太陽是一個巨大的核聚變反應(yīng)爐,通俗的說太陽就是一個一直在爆炸的氫彈。太陽上發(fā)生的聚變反應(yīng)每秒鐘要消耗6.2億噸的氫,在這個過程中就會產(chǎn)生大量的中微子。我們可以根據(jù)太陽的理論模型粗略計算出它大概產(chǎn)生中微子的數(shù)量,而奇怪的是,我們實際通過實驗探測到的中微子數(shù)量僅僅是理論值的三分之一,這件事在當(dāng)時被稱作“太陽中微子失蹤之謎”。

具體人們是這樣發(fā)現(xiàn)的,70年代的時候人們發(fā)現(xiàn)雖然中微子幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),但是還是有東西能和中微子反應(yīng)的,就是氯37,中微子可以和氯-37發(fā)生反應(yīng)生成氬-37和電子,而氬又是惰性氣體。這件事兒給了當(dāng)時一個人靈感,這位叫做戴維斯,美國物理學(xué)家。戴維斯決定用四氯乙烯作為探測介質(zhì),四氯乙烯是清洗劑的主要成分,一般干洗店會用這個,有刺激性甜味易揮發(fā),濃度高了能中毒,致癌。當(dāng)時戴維斯大批量采購四氯乙烯的時候人家還以為他要開洗衣店呢。實驗室在美國霍姆斯特克金礦,在地下1500米深的礦井中建了一個實驗室,配比了600多噸四氯乙烯溶液,只要有氯變成氬了,也就有氣體生成了,就會有一個小氣泡冒出來,從而就可以證明有中微子和氯元素發(fā)生了碰撞,但還是那個原因,中微子碰撞的概率太低了。所以戴維斯在地下礦坑中一待就是30多年,這30多年也僅僅探測到了大約2000個中微子。但正是這2000個中微子的數(shù)據(jù)人們發(fā)現(xiàn)了“太陽中微子失蹤之謎”,實在是不容易。

還有一位來自日本的物理學(xué)家叫做小柴昌俊,他是在日本的一個1000米深的礦坑里做的實驗,使用了5萬噸純水和1萬多個光電倍增管,當(dāng)中微子和純水里的原子核發(fā)生碰撞的時候,就會發(fā)出淡藍色的光輝,這個現(xiàn)象叫做切連科夫輻射。然后用探測器來檢測這個微弱的藍光,只要檢測到了,就說明有中微子發(fā)生了碰撞。這個概率依舊很低,但小柴昌俊比戴維斯要幸運很多,他的實驗是在1986年底正式開始的,到了1987年初1987年2月24日,發(fā)生了一件事,大麥哲倫云中的一顆超新星爆發(fā)了,這是自1604年開普勒超新星以來觀測到的最亮的一次超新星爆發(fā),帶來的電磁輻射甚至能夠照亮整個星系,一般都會持續(xù)幾周或者幾個月。1987年的這顆超新星被很多天文學(xué)家觀測到了,這就是小柴昌俊的幸運,那天他突然發(fā)現(xiàn)自己的神岡實驗室里探測到了大批量中微子,說是大批量其實就13個,但是比平時偶爾的一兩個多了好多倍!感覺就不對,果不其然,過了三個小時有人來電話說是大麥哲倫云的一顆超新星爆發(fā)了。這種感覺絕對是無比奇妙的,這顆超新星距離我們16.8萬光年,也就是說小柴昌俊探測到了至少來自16.8萬年以前產(chǎn)生的中微子!

2002年的諾貝爾物理學(xué)獎決定把本年的諾獎頒發(fā)給戴維斯和小柴昌俊,02年戴維斯已經(jīng)88歲了,而小柴昌俊也已經(jīng)76歲了。根據(jù)這二位實驗數(shù)據(jù),都證實了“太陽中微子失蹤之謎”,也就是來自太陽的中微子莫名其妙的少了三分之二,他們?nèi)ツ牧四兀窟@個問題的答案直到近幾年才給出,人們發(fā)現(xiàn)中微子不只一種,有三種,分別是電子中微子、繆子中微子以及陶子中微子。戴維斯和小柴在實驗中所探測到的只是電子中微子,自然就少了三分之二。而且這三種中微子還可以隨著時間相互轉(zhuǎn)化,這個過程叫做中微子振蕩。如果中微子能夠發(fā)生振蕩那它就必須得有靜質(zhì)量,所以近年來很多物理學(xué)家都在研究這個課題。最先通過實驗證明了中微子振蕩的人就是小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章,實驗地點就是當(dāng)年小柴昌俊所使用的神岡實驗室。另外一位物理學(xué)家是加拿大的阿瑟·麥克唐納,他和梶田隆章二人因為在實驗中發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩,因此證明了中微子具有質(zhì)量,共同獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎。目前最先進的中微子觀測站位于南極的冰層之下, 叫做冰立方IceCube,于2010年12月8日建造完成,2018年7月12日,冰立方中微子天文臺宣布第一次成功確認高能宇宙中微子的來源,人類探測到了一個來自37億光年之外發(fā)射過來的中微子。這也是人類歷史上第一次使用中微子探測器來定位太空中的物體。

然而關(guān)于中微子還有眾多謎團沒有解開,比如說有沒有第四種中微子?中微子的反粒子是其本身嗎?也就是中微子是馬約拉納粒子嗎?中微子是暗物質(zhì)嗎?等等。這些謎團就需要我們慢慢等待答案了。

作者:媽咪說 科普創(chuàng)作者

審核:羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品,轉(zhuǎn)載請注明來源。

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評論
金錢草.
庶吉士級
中微子在人類探索宇宙、理解物質(zhì)本質(zhì)、研究核反應(yīng)和天體物理過程以及醫(yī)學(xué)和通信技術(shù)等方面都發(fā)揮著重要作用。盡管中微子還有眾多謎團沒有解開,這將激勵后來者繼續(xù)前行,探索魅力無窮的宇宙奧秘。
2024-08-08
科普科普知識的搖籃!
太師級
中微子的研究,它不僅展示了科學(xué)的美妙和宇宙的奧秘,也體現(xiàn)了人類對未知世界的好奇心和探索精神。每一次科學(xué)上的重大突破,都是人類智慧和勇氣的結(jié)晶,激勵著后來者繼續(xù)前行,探索那些超乎想象的宇宙奧秘。
2024-08-08
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文中兩位天文學(xué)家研究中微子幾十年…該研究已經(jīng)成為當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)交叉領(lǐng)域的重要課題,為高能中微子天文學(xué)打開了一扇天窗!
2024-08-08