讓無數科學家們難以置信的中微子到底是什麼?

什麼是中微子?

中微子是一種以接近光的速度略過宇宙的亞原子微粒。

中微子是產生於多種核變進程的逃逸性亞原子微粒,它的名字“中微子”是指它們不帶任何電荷,而在宇宙中的四大基本力中,中微子只和萬有引力和弱相互作用力之間有相互作用,這兩種力也和原子放射性衰減有關。因為小到幾乎沒有質量,它們在宇宙中能以近乎光的速度穿越。


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有無數的中微子在宇宙大爆炸後的幾分之一秒開始出現。而新的中微子無時無刻不在產生,在恆星的核心中,在地球上的等離子體加速器和核反應堆裡,以及超新星爆炸和放射性元素衰減這些過程都能產生中微子。康乃狄克州紐黑文市耶魯大學的物理學家Karsten Heeger說,這意味著,平均起來,宇宙中的中微子數量要比質子的數量多上遠不止十億倍。


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超新星SN 1987A中的中微子

儘管它們無處不在,中微子還是因為過於難以捕捉而給物理學家們留下了一個相當大的困擾,中微子流穿越大部分的物質就像是光穿過一個透明的窗口,因為它幾乎不和別的任何實有的事物發生反應。此時此刻,就大約有1000億個中微子正從你身體的每一立方厘米穿過,但是你什麼都感受不到。


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1970年11月13日,首次利用氫氣泡室對於中微子進行的觀測。中微子撞擊了氫原子中的質子。這撞擊發生於照片右方,是三條由帶電粒子所形成軌跡的彙集之處。

探索神秘的微粒

19世紀晚期,中微子第一次被假想出來回答一個科學問題,研究者因為一種叫做貝他衰變的現象而頭疼不已,在貝他衰變中,原子內的原子核會自發地釋放電子,而這種現象似乎違反了能量守恆和動量守恆這兩大物理學基本定理。β衰變中,粒子的最終結構所含的能量似乎稍微少了一點兒,而質子卻一直都保持靜止,並沒有受到相反方向來的電子的轟擊。直到1930年,物理學家Wolfgang Pauli(沃爾夫岡 泡利)才提出一個想法說可能是有某種其他的粒子飛出了原子核,帶走了那些消失的能量和質量。


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β衰變,或稱貝塔衰變,是放射性原子核放射電子(β粒子)和反中微子而轉變為另一種核的過程。

“我做了一件極其糟糕的事情,我假想出了一種無法被捕捉到的粒子”。泡利對朋友如是說,他的這段話指出了一個事實,就是他假想出的中微子是那麼的神出鬼沒,不僅幾乎不和周圍任何東西發生相互作用,而且還幾乎沒有任何的質量。

過了四分之一個世紀之後,物理學家Clyde Cowan(克萊德 柯溫)和Frederick Reines(弗雷德裡克 萊茵斯)才建造出了一箇中微子探測器並把它裝在北卡羅來納州薩凡納河核電廠的原子反應堆旁邊,他們的實驗成功地捕捉了將近一百萬億個從反應堆中逃逸出來的中微子,得到了這個實驗結果之後,他們就興沖沖地用電報告知了泡利他們成功地證明了中微子的存在。因為這個成就,萊茵斯獲得了1995年的諾貝爾物理學獎,而在那個時候,柯溫已經去世了。

但是從那時起,中微子就一直在衝擊著科學家們的認知。

太陽產生著巨量的中微子轟擊著地球。20世紀中葉,研究者們建造了一些探測器來追蹤這些中微子,但是它們捕捉到中微子的數量和預估的數量相比只有三分之一,也不知道是天文學家的太陽模型有錯還是有些關於中微子的盲區依然沒有被察覺到。


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物理學家最終意識到中微子很有可能有三種不同的形態,或者種類。普通的中微子叫電子中微子,但是還存在著另外兩類中微子,子中微子和T中微子。當它們從太陽跋涉到我們的星球的時候,中微子在這三種形態中震盪,這就是為什麼那些早期的實驗,那些只被設計來捕捉一種狀態的中微子的實驗,一直都沒有捕捉到剩餘三分之二的中微子。


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但是隻有擁有質量的粒子能夠經受震盪的過程,這違背了早期研究中所認為的中微子幾乎是沒有質量的。這個時候科學家們還是不知道每種形態的中微子的確切質量,實驗只明確了最重的中微子還不足質子質量的0.0000059倍。

中微子的新法則?

2011年,在意大利進行OPERA實驗的研究員宣佈了一條轟動世界的消息,他們探測到了中微子以超過光的速度運動,這是幾乎是一件不可能的事。然而這條消息還是被媒體廣泛地傳播,結果就引起了大量科學界人士的質疑。而不到一年之後,物理學家發現是因為一次筆誤造成了這次超過光速的發現,於是中微子就又恢復成一個遵守宇宙規則的粒子。


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依據標準太陽模型,太陽內部會發生的質子-質子鏈反應。中微子可以經由這一過程產生。

可是科學家對中微子還是有了更多的理解。來自芝加哥城郊費米國家加速器實驗室的微助推器中微子實驗的研究員宣稱他們已經探測到一種新型的中微子並提供了強有力的證據,這種粒子叫惰性中微子,並且在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器之前發生一次實驗異常的也證實了這個發現。惰性中微子的出現將會因為它不符合標準模型而顛覆物理學的認知,而正是這個模型才解釋了幾乎所有已知的粒子和除了引力之外的所有力。


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如果微助推器中微子實驗的新結果經受得住檢驗,那將會是一件大事,這將打破標準模型理論,將會提出新的粒子規則,一個新的分析架構。杜克大學粒子物理學家凱特斯科伯格告訴《生活科學》。

相關知識

惰性中微子是溫暗物質的候選者,不參加除引力以外的任何相互作用。在標準模型中為單態。

中微子探測器是觀測中微子的實驗設備。 由於中微子只參與弱相互作用,一般探測器需要建造得夠大,以接收到足夠數量的中微子訊號。 中微子探測器一般會選擇建造在地底深處,以屏蔽宇宙射線以及其它背景輻射。中微子天文學目前仍未成熟,現今已確認來自地球以外的訊號來源只有太陽和超新星SN 1987A。然而未來中微子觀測站將“為天文學家提供透析宇宙的展新視野”。

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