中微子振荡中微子振荡微观世界里的变脸大法

时间：2019-05-21 03:29:50　来源：雅意学习网本文已影响人

　　自从《2012》上映后，中微子被民间误认为是可以毁灭地球的隐形杀手，　　紧接着又自摆乌龙，闹出一幕“中微子超光速”，让人虚惊一场。　　正当大家的胃口被吊起来之际，
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　　2012年3月传来靠谱消息，
　　大亚湾中微子实验国际合作组宣布，大亚湾中微子实验成功地探测到“第三种”中微子振荡的现象，
　　并以很高的精度测出了其振荡参数。有科学家这样评价这次发现——中国对基础物理学界最伟大的贡献!
　　默默无闻却无处不在
　　也许你会认为，中微子是一个理论物理概念，离我们普通老百姓极其遥远，那你可就错了。你阅读这篇文章时，你(沿着太阳方向的)每平方厘米的皮肤每秒钟都会有约650亿个中微子穿过。你之所以如此幸运没有被打成筛子，是因为中微子特殊的孤僻性格——它不但不发光，而且也不喜欢与物质发生相互作用。
　　20世纪70年代时，物理学家从大量复杂的实验现象中总结出来一个粒子物理的标准模型。于是，我们能看到的万事万物的万千姿态都可以化简为有限的几种基本粒子。其中的一类就是传递“力”的粒子，例如胶子传递强力，，而强力能把原子核中的中子和质子紧紧地绑在一起。中间玻色子传递弱力，弱力主导了放射性衰变现象。光子传递我们熟知的电磁力。
　　根据这三种基本力(不讨论引力)我们又可以对物质粒子进行分类：兴趣广泛、风光无限的夸克参与全部三种力；举止得体、频繁亮相的电子只参与电磁力和弱力；而处事低调、与世无争的中微子只参与三种力中最弱小的弱力。这就难怪平时很难见到中微子的踪迹了，就连科学家也是到了很晚的时候才意识到中微子的存在。
　　瞎猫能碰到死耗子
　　上20世纪30年代的物理学家发现，放射性元素发生B衰变以后，有一部分能量神秘消失。生性严谨的理论物理学家泡利提出了—个大胆的假设：这部分能量被一种不带电的中性粒子带走了。那么，这种粒子既然不带电，不发光，不怎么与物质相互作用，那岂不是就像魔幻小说中的“幽灵”一样，没办法验证了吗?
　　物理学家有个笨办法：只要瞎猫和耗子足够多，总有一些瞎猫能碰到死耗子。于是在1956年，人们以200升水作为靶子，让中微子起劲地轰。水中的氢原子核(也就是质子)有一定几率和反中微子(中微子对应的反粒子，可以认为是中微子的一种)转化成中子和正电子，后两位很容易被探测到——结果，人们第一次“亲眼”见到了中微子的踪迹。
　　不知疲倦的振荡
　　虽然中微子很孤僻，但它并不孤独。夸克、电子和中微子都有自己的亲戚，物理学家将它们分成“三代”；不同代的同类粒子的性质几乎—样，仿佛有着血缘关系。更为神奇的是，中微子会不断地在不同代之间发生转换，就像川剧中的变脸，也就是传说中的中微子振荡。比如说核反中产生了一个电子型中微子，当它跑出一段距离之后，就会开始“变脸”演化成三种中微子的一种量子“混合”。当我们用仪器探测时，每一个量子“混合”都有一定几率变成μ子型中微子或，r子型中微子。对μ子型中微子和r子型中微子来说也—样，当它们跑开一段距离之后，也会变成另外比例的量子“混合”，被测量时又以另外的几率变成其他两种中微子。在这个过程中，能量既不增加，也不减少，中微子的脸变过来又变回去。一点儿也不嫌累。
　　中微子振荡实际上是一种量子振荡，三种类型的中微子在量子空间中并没有处于“平衡”位置无论一开始产生的是什么类型的中微子，只要给它—点儿时间和空间，它都会和其他两种中微子玩起变脸游戏，十分淘气。
　　了解中微子振荡以后也许你就要问了，中微子具体怎么振荡?频率有多快?其实，新闻报道所提到的中微子“第三种振荡”，实际上是为了便于理解而采用的一种比喻。简而言之，在理论家常用的模型中，主要以三个角度(叫做“混合角”)共同来描述三种中微子相互“转化”的程度。以前的实验分别测出了其中两个角度，大亚湾实验则精确地测出了第三个未知的角度，使得^们对中微子振荡的理解又加深了一步。
　　挖坑和灌水
　　理论上说起来很简单，但探测中微子振荡的实验经历了很大的曲折。20世纪60年代，物理学家来到美国南达科他州的一个1500米深的矿井中，安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐，用来探测太阳中心核聚变反应产生的海量中微子。别看每时每刻穿过地球的太阳中微子数量惊人，其中实际与探测器发生了反应的中微子简直是沧海一粟，平均每天只有0.5个左右。结果，这事儿在物理学界掀起轩然大波。
　　当时，理论物理学家反复检查了计算，确实没有错。实验物理学家反复检查了实验，也没有发现任何异常，此外，后续独立进行的实验，如日本的神冈实验、超级神冈实验和加拿大的萨德伯里实验结果与美国矿坑底下的一样，到底是怎么回事呢?理论家想到，先前关于中微子振荡的理论是以真空为背景的，而太阳中微子产生以后，要从太阳中心跑几十万公里才能跑到宇宙的真空中。太阳里的致密物质会不会对中微子振荡造成某种修正呢?果然，把这个问题考虑进去之后，理论和实验就握手言和了。
　　同志仍需努力
　　到目前为止，在中微子研究领域，已经有6位物理学家光荣获得了诺贝尔奖。人们不禁会问，中微子还会成就更多诺贝尔奖吗?当然，在中微子振荡的模型中，还有—个关键参数的取值等待人们去测量，这个参数把小小的中微子与宇宙物质的起源联系在了—起。主流观点认为，宇宙—开始充满了等量的物质和反物质，本该全部湮灭成光子，一个都不剩。但为什么现在的宇宙中有很多物质，却不见反物质的踪迹呢?物理学家们顺藤摸瓜，发现正反物质不等量的答案很可能就蕴藏在中微子振荡的这个参数里。这个伟大的问题最后会被谁解决呢?让我们拭目以待吧!