中微子有多重[文檔資料]

中微子有多重 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 是否能深刻了解一種基本粒子，這種基本粒子似乎沒(méi)有質(zhì)量，也幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。這個(gè)任務(wù)聽(tīng)起來(lái)就像是要在自家的車(chē)庫(kù)里找到那條隱身的、噴出無(wú)聲無(wú)色也沒(méi)有溫度的火焰的龍，既荒謬又不可能?，F(xiàn)在一群粒子物理學(xué)家就面臨著這樣的困境，他們要研究一種鬼魅般的粒子 中微子，他們想知道中微子到底有多重。 雖然宇宙中的謎團(tuán)還有很多，暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)問(wèn)題卻一直困擾著物理學(xué)家。人們目前對(duì)這兩 個(gè)謎團(tuán)還知之甚少，甚至連暗物質(zhì)的構(gòu)成形式（是不是和普通物質(zhì)一樣是由基本粒子構(gòu)成）還不能完全肯定，對(duì)中微子卻不同，這種基本粒子因?yàn)闃O其微小，卻又如此常見(jiàn)，對(duì)它的深入研究對(duì)于理解宇宙的起源和演化過(guò)程都有著極為重要的作用。實(shí)際上，中微子的確切質(zhì)量成為一個(gè)物理學(xué)問(wèn)題也只有十幾年時(shí)間，在此之前，物理學(xué)家們一直以為中微子沒(méi)有質(zhì)量。 中微子被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程與眾不同。 1930 年 12 月，物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利（ Wolfgang Pauli）為了解決 beta 衰變過(guò)程中的質(zhì)能不守恒問(wèn)題，在給一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議的信件中首次預(yù)測(cè)了一 種不帶電基本粒子的存在，他最開(kāi)始命名這種粒子為“ 中子 ” （ Neutron），但是這個(gè)名字隨后在 1932 年被查德維克發(fā)現(xiàn)的目前人們所熟知的中子占用，隨后被恩里克 費(fèi)米改名為中微子（ Neutrino）。費(fèi)米采用了泡利關(guān)于中微子的預(yù)測(cè)，并且把它用到自己在 1934 年發(fā)表的關(guān)于 beta 衰變的理論中?？墒菃?wèn)題在于，人們?nèi)绾稳グl(fā)現(xiàn)一種不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用又極為輕盈的基本粒子？泡利甚至擔(dān)心自己做了一個(gè)永遠(yuǎn)也不可能被驗(yàn)證的科學(xué)假設(shè)。 所幸隨后研究核裂變的實(shí)驗(yàn)為物理學(xué)家提供了大量的中微子，在 20 世紀(jì) 50 年代，伴隨著 核武器的研究，物理學(xué)家們開(kāi)始建設(shè)一些靈敏的液態(tài)中微子探測(cè)器，試圖收集中微子與液體原子發(fā)生相互作用的閃光信號(hào)，最終才在美國(guó)加州南部的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，為了隔絕宇宙射線(xiàn)的干擾，在 12 米地下的一個(gè)核反應(yīng)堆附近，利用一個(gè)含鎘的探測(cè)器成功證明了中微子的存在。 至今為止，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)三次授予因?yàn)閷?duì)中微子研究做出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家，可是人類(lèi)至今對(duì)于中微子的性質(zhì)仍然了解得極其有限。直到發(fā)現(xiàn)中微子 30 多年之后，在1998 年人類(lèi)才發(fā)現(xiàn)它具有極其微小的質(zhì)量。物理學(xué)家們了解到，雖然在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中中微子與電子等基本粒子同 屬于輕子類(lèi)別，但中微子的質(zhì)量還不到電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的三種中微子 電子中微子、 muon 中微子和 tau 中微子之間，人們還不知道它們的具體質(zhì)量各是多少，甚至也不知道這三種中微子哪種最重，哪種最輕，它們之間的質(zhì)量關(guān)系是什么；而且如果 muon 中微子和 tau 中微子像有些物理學(xué)家預(yù)測(cè)的一樣，具有相同的質(zhì)量，那么就說(shuō)明它們內(nèi)部還有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使這兩種粒子區(qū)分開(kāi)，也就說(shuō)明中微子并不是不可分的基本粒子。就是因?yàn)榱私獾锰伲瑢?shí)驗(yàn)中也就更容易出錯(cuò)， OPERA 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在 2011 年曾經(jīng)爆出冷門(mén)，探測(cè)到了速度超光 速的中微子，舉世轟動(dòng)，但是后來(lái)證明也只是實(shí)驗(yàn)器材出錯(cuò)，虛驚一場(chǎng)而已。 測(cè)量不同種類(lèi)的中微子的精確質(zhì)量，關(guān)系到一個(gè)更加重要的問(wèn)題：中微子為什么會(huì)具有質(zhì)量？實(shí)際上，目前描述所有基本粒子性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，在最初正是為了預(yù)測(cè)中微子不具有質(zhì)量，隨后標(biāo)準(zhǔn)粒子模型不得不進(jìn)行修改，使中微子可以具有質(zhì)量。但是中微子得到質(zhì)量的方式似乎也與其他粒子不同，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的其他絕大多數(shù)粒子似乎都是通過(guò)與遍布宇宙中的希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用而具有質(zhì)量，中微子似乎并不能夠與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用，那么它只能通過(guò)另外一種機(jī)制而獲得質(zhì)量，如 果可以測(cè)量出它們的精確質(zhì)量，很多粒子物理學(xué)家就可以迅速修正他們的理論。 還有另外一個(gè)難題困擾著物理學(xué)家，中微子是否就是它們自身的反物質(zhì)？目前人們已經(jīng)探明，基本粒子都擁有自己的反粒子，當(dāng)一個(gè)粒子與它的反粒子相遇就會(huì)發(fā)生湮滅現(xiàn)象，如果中微子既是正物質(zhì)又是反物質(zhì)，是它自身的反粒子，那么當(dāng)兩個(gè)中微子相遇，它就會(huì)與其自身發(fā)生湮滅，如果可以證實(shí)這一點(diǎn)，也可以幫助物理學(xué)家解釋?zhuān)瑸槭裁丛谟钪嬷欣響?yīng)數(shù)量相當(dāng)?shù)恼次镔|(zhì)相差巨大，在宇宙演化中，正物質(zhì)是如何勝出的。 在美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的一個(gè)名為 NOvA 的中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，正是打算通過(guò)從伊利諾伊州旅行到明尼蘇達(dá)州的中微子束精確測(cè)量中微子的質(zhì)量。費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們使高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子打入碳原子核，這個(gè)過(guò)程會(huì)碰撞產(chǎn)生出一些新粒子，這些粒子隨后會(huì)發(fā)生衰變，產(chǎn)生出中微子。這些中微子會(huì)從伊利諾伊州穿過(guò)地球，經(jīng)過(guò) 800 公里的路程后，到達(dá)明尼蘇達(dá)州。在這個(gè)過(guò)程中，一些中微子會(huì)發(fā)生振蕩 改變身份變成另外一種中微子，粒子物理學(xué)家想通過(guò)探測(cè)中微子的振蕩比例來(lái)測(cè)量它們的精確質(zhì)量。 在明尼蘇達(dá)州建設(shè)的電子中微子探測(cè)器重達(dá) 1.4 萬(wàn)噸，由排列成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的內(nèi)部充滿(mǎn)液體的 塑料管構(gòu)成，這已經(jīng)是世界上最大的塑料結(jié)構(gòu)裝置。盡管絕大多數(shù)中微子都只是會(huì)穿過(guò)這個(gè)探測(cè)器不留下任何痕跡，但在極其特殊的情況下，不同類(lèi)型的中微子會(huì)與探測(cè)器中的液體原子發(fā)生相互作用，使原子釋放出不同類(lèi)型的粒子，如果釋放的是一個(gè)電子，探測(cè)器就會(huì)發(fā)出閃光，記錄探測(cè)到一個(gè)電子中微子。盡管這種情況每天只會(huì)發(fā)生幾次，但是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期記錄數(shù)據(jù)之后，就可以建立起從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出發(fā)的 muon 中微子振蕩成為電子中微子的模型，這可以為物理學(xué)家計(jì)算中微子的確切質(zhì)量提供新線(xiàn)索。 NOvA 實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)測(cè)量中微子和反中微子，它將比較這兩種粒子發(fā)生振 蕩的差別，同時(shí)也與其他中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。 2014 年 9 月 24 日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、加拿大理論天體物理中心和中科院上海天文臺(tái)的幾位物理學(xué)家在物理評(píng)論快報(bào)（ PRL）雜志發(fā)表論文通過(guò)相對(duì)速度測(cè)量中微子質(zhì)量（ Measurement of Neutrino Masses From Relative Velocities），他們認(rèn)為中微子在引力作用下，相對(duì)于冷暗物質(zhì)和普通物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的速度場(chǎng)，通過(guò)精密觀(guān)測(cè)星系大尺度結(jié)構(gòu)，有可能測(cè)出中微子的質(zhì)量，這也為測(cè)量中微子的質(zhì)量提供了另外一個(gè)理 論方法。 太陽(yáng)本身就是一個(gè)巨大的中微子發(fā)射源，地球上的人類(lèi)始終沉浸在中微子的密雨中無(wú)處躲避，