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顛覆物理學的中微子:宇宙中飛行速度幾乎達到光速

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无限法则训练营在哪 www.rfwtc.icu   新浪科技訊 北京時間3月6日消息,據國外媒體報道,中微子是一類神秘的亞原子粒子,產生于多種核過程中。它們的名字“neutrino”來源于意大利語,字面意義是“微小的電中性粒子”,即它們不攜帶電荷。在宇宙的四種基本相互作用中,中微子只參與引力相互作用和弱相互作用(會引起次原子粒子的放射性衰變)。中微子幾乎沒有質量,它們在宇宙中飛行的速度幾乎達到了光速。

  在大爆炸之后的極短時間內就產生了無數的中微子。而且,新的中微子也一直在產生:在恒星內部的核反應中產生;在地球上的粒子加速器和原子反應堆中產生;在超新星爆發并塌縮的過程中產生,以及在放射性元素衰變中產生。根據耶魯大學物理學家卡斯滕·西格(Karsten Heeger)的說法,這意味著宇宙中的中微子數量平均比質子多10億倍。

  盡管中微子無處不在,但它們對于物理學家來說仍然是一個謎,因為這些粒子非常難以捕獲。中微子流能輕易地穿過大多數物質,就好像光線穿過透明的玻璃一樣,因為它們幾乎不與一般物質發生相互作用。據估計,此刻你身體上每平方厘米大約正有1000億個中微子穿過,但你對此沒有任何感覺。

  發現隱形的粒子

  中微子最初被認為是一個科學謎題的答案。在19世紀后期,研究人員對一種名為β衰變的現象困惑不已。在β衰變中,原子內部的原子核會自發地放射出電子。β衰變似乎違反了兩個基礎的物理學定律:能量守恒和動量守恒。在β衰變中,粒子的最終形態具有的能量似乎有點太少了,并且質子處于靜止狀態,而不是向電子的相反方向運動。直到1930年,奧地利物理學家沃爾夫岡·鮑利(Wolfgang Pauli)才提出,β衰變過程中有一種未知的電中性粒子會伴隨電子產生,該粒子攜帶著缺失的能量和動能。

  “我做了一件可怕的事情。我假設了一種無法被探測到的粒子,”鮑利對一位朋友如此說道。之所以這么說,是因為這種粒子就像幽靈一樣,幾乎不能與任何東西相互作用,而且幾乎沒有質量。

  1956年,物理學家克萊德·科溫(Clyde Cowan)和弗雷德里克·萊因斯(Frederick Reines)等人在《科學》雜志上發表了他們對中微子的觀測結果。他們建造了一個中微子探測器,并將其放置在南卡羅來納州的薩凡納河核電站的核反應堆外。他們的實驗成功從反應堆中飛出的數百萬億中微子中捕獲了一小部分??莆潞屠騁蛩棺院賴馗⒘艘環蕕綾?,告訴他這一確認中微子存在的消息。在這一結果發表近40年后,萊因斯才因為發現中微子而獲得了1995年的諾貝爾物理學家——當時科溫已經去世。

  不過,自此之后,中微子就開始一次次讓科學家的期望落空。

  太陽內部時時刻刻都在發生著核反應,產生的大量中微子不斷地穿過地球。20世紀中期,研究人員建造了搜尋這些中微子的探測器,但他們的實驗一直顯示出數量上的差異,即僅僅檢測到預測中三分之一的中微子??贍蓯翹煳難Ъ夜賾諤艫哪P統魷至宋侍?,也可能是發生了某些奇怪的事情。

  物理學家最終意識到中微子可能具有三種不同的“味”,或者說三種類型。常規的中微子被稱為電中微子,另外兩種則是μ中微子和τ中微子。當中微子穿過太陽和地球之間的距離時,它們會在這三種味之間振蕩。早期的實驗在設計上只是為了尋找一種味,因此所探測到的數量上總是會少三分之二。

  然而,只有具有質量的粒子才能經歷這種振蕩,這與之前認為中微子沒有質量的觀點相矛盾。盡管科學家仍然不知道這三種中微子的確切質量,但已經有實驗證實,其中最重的中微子至少要比電子質量輕0.0000059倍。

  中微子的新規則?

  2011年,意大利OPERA實驗——全稱為“采用乳膠徑跡裝置的(中微子)振蕩項目”(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)——的研究人員宣布,他們檢測到了飛行速度超過光速的中微子。這個被認為不可能的消息立刻引起了全世界的轟動。盡管在媒體上廣泛報道,但該研究結果受到了科學界的極大質疑。不到一年之后,物理學家發現,這一異常結果可能是由安裝在測量中微子離開和返回時間的原子鐘上的一個光纖發生松動所致。中微子又回到了遵守宇宙法則的粒子行列之中。

  但是,中微子仍然有太多需要了解的地方。最近,費米國家加速器實驗室(費米實驗室)的MiniBooNE實驗研究人員提供了令人信服的證據,指出他們已經發現了一種新的中微子,稱為惰性中微子(sterile neutrino)。這一發現也證實了此前在美國洛斯阿拉莫斯的“液閃爍器中微子探測器”(Liquid Scintillator Neutrino Detector,簡稱LSND)實驗中發現的異常現象。惰性中微子或許將顛覆所有已知的物理學,因為它們不適用于所謂的標準模型——該框架解釋了除引力意外幾乎所有已知的粒子和力。

  如果MiniBooNE實驗的結果最終被證實,“那將是的大新聞;這超出了標準模型,需要全新的粒子……以及一個全新的分析框架,”美國杜克大學的粒子物理學家凱特·斯科爾伯格(Kate Scholberg)說道。(任天)

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