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一口气搞懂中微子

在宇宙中,存在着一种神奇的粒子,它可以轻易地穿过各种物质,每秒钟都有接近1万亿个这种粒子穿过身体,我们却根本无法察觉到。这种粒子鬼魅一样的存在,也被我们称之为:幽灵粒子。它其实就是大名鼎鼎的中微子

关于中微子的探究历史,也是贯穿着整个近代科学的发展。而科学家坚信,对于中微子的研究将会让我们更加了解宇宙的过去和未来。

我们就来聊一聊这个目前科学家极其重视的中微子到底是咋回事。

中微子的提出

这事要从科学家研究β衰变说起。,所谓的β衰变,就是指原子核内中子转变为质子,同时释放出一个电子和一个中微子(当然,当时还没有发现中微子)的过程。

所以科学家就很纳闷,为什么β衰变过程中,电子只带走了一部分能量,而不是带走总能量,也就是说,整个过程能量和动量没守恒,而电荷守恒了。

这样的情况确实让很多科学家很崩溃,就拿爱因斯坦的强劲对手尼尔斯·波尔来说吧,这种“能量不守恒”的情况,差点都让他要放弃能量守恒定律。这也遭到了泡利的强烈反对。

到了一次国际核物理会议上,泡利就提出:

我们要坚信能量守恒定律,β衰变过程中,应该是有一种小质量的中性粒子将亏损的能量带走。

后来,费米就把这种粒子命名为:中微子。不过,当时的人其实一直都没有找到这种粒子存在的证据。

中微子的发展

当然,科学家始终没有放弃寻找中微子。但是,通过理论计算,科学家发现,中微子的质量很小很小,几乎接近于0,质量最大也就只有电子质量的百万分之一;而且它由于显现的是电中性,所以它又不会参与电磁相互作用;再加上中微子的穿透力极其强,想通过弱力捕捉到它的概率是极其低的,这概率有多低呢?我们来看一个数据:

一个中微子大概要在宇宙中穿行一光年的距离,才有大概二分之一的概率会和这段路径上的物质发生反应。

所以,想要捕捉中微子的难度可想而知,1956年,美国科学家莱茵斯和科万经过多年的努力之后,终于观测到了中微子的存在。

他们采用的方式是,利用核反应堆中产生的反中微子与质子发生反应,使得最终产生中子和正电子。反应式:

νe + p+ → n0 + e+

正电子会立马和电子发生湮灭,他们通过检测两个过程中产生的γ射线和利用一个的原子核来俘获中子,以及观测是否有反中微子参与了反应,来确定中微子的存在。

后来,到了1995年,这两位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

实际上,在1970年的时候,科学家也实现了首次利用氢气泡室观测中微子。

鬼魅的中微子

自从科学家确认了中微子的存在,许多科学家就开始更深入的研究。其中一部分研究就和太阳相关。太阳的核心其实是核聚变反应,但更具体的来说是质子-质子反应链,是由四个氢核聚变生产氦-4的过程。

质子-质子反应中,每产生3个光子,就会有2个中微子产生。太阳中的中微子一旦产生,由于自身穿透力特别强,所以可以直接径直发出太阳,而光子则需要跌跌撞撞,到底太阳表面平均要10多万年的时间。

太阳产生的大量中微子中,就有一部分会以接近光速的速度径直飞到地球上来的。地球面向太阳的区域,平均下来,每秒钟,每平方厘米,都会穿过大概650亿个太阳产生的中微子

到了1967年,科学家雷蒙特·戴维斯就深达1500米的地下矿井中做实验,试图去捕捉太阳产生的中微子。

可问题是,无论他如何尝试,都只捕捉到了理论值的三分之一的中微子。当然,不止他遇到了这种事情,其他许多实验室也都遇到了类似的事情,其中就包括了日本的神冈中微子探测器。

同时,有这么多探测设备都遇到了同样的问题,那究竟是怎么回事呢?

中微子超光速了?

当时的人也很无奈,试图找寻各种理论进行解释,但都以失败而告终。直到一件可以载入史册的事情发生。这是在1987年2月23号的夜晚。有个编号为SN1987A的星体发生了超新星爆发。

全球各个中微子探测器都发现了高能中微子,而且这些中微子比光速还早了3个小时到达了地球。难道中微子超光速了?

实际上,并非如此,这种情况其实表明了,引力在坍缩之前,挤压了质子和电子的空间,电子简并力没有扛住引力,于是,产生了中微子。然后在引力的作用下,内核强烈地发生了核聚变反应,产生了光子,所以光子是晚于中微子的产生。

而更重要的是这次中微子的数量和理论值是相吻合的。同时这个发现也完善了超新星模型,让我们获得了超新星爆炸后会形成中子星的充足证据。

但是,太阳中微子的问题其实还是一直没有得到解决。到了2001年,加拿大萨德伯里中微子天文台通过SNO实验证实了失踪的太阳中微子转换成了其他的中微子。这是由于中微子其实有3种,分别是电子中微子、μ子中微子、τ子中微子最早被发现的是电子中微子,而后两种也分别在1962年和2000年被发现。而科学家发现,有一种叫做中微子振荡的现象,不同种类的中微子可以相互转化。

而过去之所以直接收到三分之一的太阳中微子,是因为过去的实验设备是专门用来观测到电子中微子,所以才会只收到三分之一的太阳中微子。

后来提出中微子振荡的两位科学家,在2015年获得了诺贝尔物理学奖。

研究中微子的意义

关于中微子的研究,也催生了中微子天文学的产生,成为了目前非常前沿和热门的研究领域。就拿天文学家手里的武功秘籍宇宙微波背景辐射来说,它其实是宇宙大爆炸的余热,在宇宙大爆炸之后,38万年的时候,才开始在宇宙中传播。也就是说,通过宇宙微波背景辐射,我们可以知道宇宙38万年之后的历史,但前38万年的历史,我们是没办法知道的,这就可以通过观测“中微子”来实现。

中微子的观测能够让我们更加了解微观世界的物理现象,同时帮助我们完善天文学中,恒星,黑洞的相关模型,还能帮助我们掌握更多有关宇宙起源和演化的信息不过,中微子目前还存在很多没搞清楚的问题需要科学家们去解决。

关于“中微子”,我们就聊到这里。

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