撼动宇宙的小粒子——中微子

作者: 刘佳

来源: 天问专栏

发布日期: 2018-03-13

本文详细介绍了中微子的发现、特性及其在宇宙中的重要作用,包括中微子振荡现象、质量测量以及宇宙中微子背景辐射等内容。

太阳不只赋予我们光,还发射了无数中微子,穿过我们的身体。来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落,而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”,去给宇宙中微子们“称重”。一个静谧的午后,我正试图向妈妈解释什么是中微子。“如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”听到这个数字,妈妈吓了一跳,赶紧把手揣回口袋。

可事实却是,妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用:一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒,“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦!”“不过不用担心,”我告诉妈妈,“中微子是无害的。”然而,这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子(n → p + e)的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!这是怎么回事?物理学家们开始怀疑物理定律,觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日,在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利让朋友在会上宣读了一封信,建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说,中子衰变后,除了质子和电子,还有第三个粒子被制造出来。

上世纪六十年代,问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克实验。

当时也已经有了比较完善的标准太阳模型,可以通过计算太阳中心核聚变的速率,推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来。但是在地球上探测到的太阳中微子,却只有预测的三分之一。人们怀疑:不是太阳模型的理论错了,就是中微子实验出了毛病!不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了?然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错,中微子探测实验结果也没错!问题出在中微子身上,它们比我们想象中的要更有趣!

“中微子振荡”解释了这个谜题的答案。中微子有三种“味”,分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。当然这里说的“味”不是味觉的“味”,而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”(也就是振荡)。

在宇宙大爆炸发生后的瞬间,整个宇宙像一碗超级热汤,各种粒子(包括中微子)不停地产生和泯灭。

而当宇宙迅速膨胀,粒子密度骤然下降后,中微子再也撞不上其它(有电磁力和强力作用的)粒子了,于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟,中微子就停止了和其它粒子的弱力作用,从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射。你也许听说过另一种宇宙背景辐射,宇宙微波背景辐射,它和中微子背景辐射的原理类似,是与电子分离后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景来源于宇宙诞生后约38万年,远远晚于中微子背景。

今天,这些来自宇宙初期的中微子无处不在地填满了宇宙的各个角落,你的一杯水中就有几千个宇宙中微子。可惜的是,我们无法像探测太阳中微子一样探测这些宇宙中微子,因为它们的能量实在太弱了,根本就无法“撞”动我们探测器中的原子核。

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