引言：有一種極其小又極其輕的基本粒子——它既不受電磁力影響，也不受強(qiáng)相互作用力的影響，常規(guī)的方法幾乎沒(méi)有辦法去探測(cè)它。但即便如此，成功抓住了它們的天文學(xué)家，還是通過(guò)它們揭開(kāi)了許多宇宙的秘密！
知識(shí)點(diǎn)I：提出中微子
1911年盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出原子由一個(gè)原子核以及核外電子構(gòu)成。1919年，他用α粒子轟擊氮原子核，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，從而認(rèn)為原子核由質(zhì)子和電子組成。但“質(zhì)子-電子”原子核模型有著致命缺陷。盧瑟福提出可以把一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子看作一個(gè)復(fù)合體，或是一個(gè)單獨(dú)的電中性的粒子，他把這種粒子稱為中子。1932年英國(guó)物理學(xué)家查德威克在使用α粒子轟擊鈹?shù)膶?shí)驗(yàn)中，終于發(fā)現(xiàn)了中子。
此后，物理學(xué)家在研究放射性的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在β衰變過(guò)程中所釋放出的（由高速電子組成的）β射線的能譜卻似乎是連續(xù)的，而且電子只帶走了總能量的一部分，還有一部分能量不知所蹤（電荷守恒而能量和動(dòng)量不守恒）。
1931年春，國(guó)際核物理會(huì)議在羅馬召開(kāi)。會(huì)上泡利提出β衰變過(guò)程中能量守恒定律仍然正確，能量虧損的原因是有一種小質(zhì)量的中性粒子將能量帶走了。當(dāng)時(shí)有人把這兩個(gè)中性粒子混為一談，都叫中子。后來(lái)為了區(qū)別，恩里科·費(fèi)米將“泡利中子”命名為“中微子”（名字來(lái)源于意大利語(yǔ)neutrino，“微小的電中性粒子”）?！安榈峦酥凶印本徒兄凶樱╪eutron）。
知識(shí)點(diǎn)II：中微子特性
質(zhì)量很小，在當(dāng)初的基本粒子模型中它被認(rèn)為質(zhì)量為0，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到接近于0但不為0，上限是電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。
電中性，這就意味著它不受電磁力影響。
不受核力影響，早期俘獲中微子的實(shí)驗(yàn)也均告失敗。
有小概率的弱相互作用。中微子的穿透力極強(qiáng)，僅存在很低很低的概率與別的核物質(zhì)發(fā)生弱相互作用。一個(gè)中微子要走上一光年的距離，才有50%的概率與這段路程上的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
知識(shí)點(diǎn)III：捕捉中微子
由于反應(yīng)概率極低，因此必須制備足夠多的中微子與足夠多的反應(yīng)物質(zhì)。物理學(xué)家認(rèn)為，每平方厘米內(nèi)一秒鐘能產(chǎn)生超過(guò)1萬(wàn)億個(gè)中微子，每小時(shí)大約能觀測(cè)到3次中微子反應(yīng)事件。
1956年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和科萬(wàn)經(jīng)過(guò)多年嘗試后用一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，第一次直接探測(cè)到了中微子。他們直到1995年才獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
知識(shí)點(diǎn)IV：中微子失蹤之謎
太陽(yáng)核心主要的反應(yīng)是質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，每產(chǎn)生3個(gè)光子就會(huì)產(chǎn)生2個(gè)中微子。（詳見(jiàn)XXXIX：太陽(yáng)為什么會(huì)發(fā)光？）中微子的穿透力很強(qiáng)，不像光子平均要經(jīng)過(guò)幾十萬(wàn)年才能到達(dá)光球?qū)?，一旦產(chǎn)生就可以接近光速?gòu)街钡貋?lái)到地球。每秒鐘有1萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)我們?nèi)梭w，而我們?nèi)粺o(wú)知。
1967年開(kāi)始，物理化學(xué)家雷蒙特·戴維斯在美國(guó)南達(dá)科他州的霍姆斯德克金礦1500米深的一個(gè)地下礦井中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，捕捉太陽(yáng)中微子。他設(shè)計(jì)了一個(gè)巨大的容器，里面裝了610噸四氯乙烯液體，理論上，平均每35天能檢測(cè)出17個(gè)中微子，但是直到1986年，在這個(gè)礦井中僅僅捕捉到理論預(yù)期的1/3的中微子。從80年代到90年代，在高加索地區(qū)、羅馬附近的大索薩、日本的神岡等地建造了多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)裝置探測(cè)中微子，結(jié)果，測(cè)到的數(shù)量都在理論預(yù)測(cè)的1/3~1/2之間。
知識(shí)點(diǎn)V：超新星的中微子
1987年2月23日晚，距離17萬(wàn)光年的大麥哲倫云中爆發(fā)了一顆明亮的超新星，編號(hào)為SN1987A。當(dāng)超新星的消息傳到日本后，神岡中微子探測(cè)器的研究人員查看了數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)目標(biāo)出現(xiàn)前3 個(gè)小時(shí)，記錄到12個(gè)高能中微子散射電子的事例（穿越探測(cè)器的中微子總量可能有1億億個(gè)之多）。隨后美國(guó)、意大利、蘇聯(lián)的地下探測(cè)器也證實(shí)在可見(jiàn)光信號(hào)到達(dá)前記錄到高能中微子。這表明引力的坍縮先擠壓了質(zhì)子和電子的空間，產(chǎn)生了中微子，然后才引爆了內(nèi)核劇烈而迅速的核聚變過(guò)程，因此光子的產(chǎn)生時(shí)間晚于中微子。SN1987A的中微子探測(cè)開(kāi)啟了中微子天文學(xué)，一方面證實(shí)了戴維斯的觀測(cè)結(jié)論，另一方面也證明了超新星爆發(fā)過(guò)程中確實(shí)形成了中子星。戴維斯、小柴昌俊榮獲2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
知識(shí)點(diǎn)VI：中微子振蕩
構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的粒子有12種，包括了6種夸克（上、下、奇、粲、底、頂）、3種帶電輕子（電子、μ子和τ子）和3種中微子（電子中微子、μ中微子和τ中微子）。正如電子中微子，在β衰變中伴隨β射線（電子）產(chǎn)生，因此伴隨μ子誕生的中微子就叫μ中微子，伴隨τ子誕生的中微子就叫τ中微子。1962年，美國(guó)的萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格發(fā)現(xiàn)第二種中微子——μ中微子，他們?cè)?988年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但是第三種中微子直到2000年才由美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)。
一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子的現(xiàn)象叫做中微子振蕩。1985年，日本神岡探測(cè)器和美國(guó)IMB探測(cè)器不約而同發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。2001年，加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)SNO實(shí)驗(yàn)證實(shí)失蹤的太陽(yáng)中微子轉(zhuǎn)換成了其它中微子。過(guò)去的實(shí)驗(yàn)是專門為探測(cè)電子中微子設(shè)計(jì)的，因此只收集到總量的1/3。梶田隆章、阿瑟·麥克唐納因此獲得2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
知識(shí)點(diǎn)VII：中微子天文學(xué)
中微子不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與恒星演化、大質(zhì)量黑洞演化、宇宙的起源與演化有關(guān)。小小的中微子已經(jīng)四奪諾貝爾獎(jiǎng)。然而，中微子還有大量謎團(tuán)尚未解開(kāi)。比如中微子是如何振蕩的，中微子本身的反粒子是否為同一種粒子。中微子還可能與宇宙中反物質(zhì)缺失之謎有關(guān)?，F(xiàn)在已經(jīng)把多波段天文學(xué)+引力波天文學(xué)+中微子天文學(xué)合稱為多信使天文學(xué)。
聯(lián)系客服
