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发现及研究过程

 

   粒子物理的研究结果表明,构成物质世界的最基本的粒子有12种,包括了6种夸克(上、下、奇、粲、底、顶,每种夸克有三种色,还有以上所述夸克的反夸克),3种带电轻子(电子、μ子和τ子)和3种中微子(电子中微子,μ中微子和τ中微子)而每一种中微子都有与其相对应的反物质。中微子是1930年奥地利物理学家泡利为了解释β衰变能量似乎不守恒而提出的,1933年正式命名为中微子,1956年才被观测到。中微子是一种基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。

   中微子只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力,能穿越地球直径那么厚的物质。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。正因为如此,在所有的基本粒子,人们对中微子了解最晚,也最少。实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然放射性(β衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立方厘米100个。1998年,日本超神冈(Super-Kamiokande)实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象,即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后,这一结果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚,它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

  中微子-内部结构模型图

 

   中微子是一种难以捉摸的基本粒子,有三种类型,即电子中微子(符号为)、μ中微子和τ中微子,分别对应于相应的轻子:电子、μ子和τ子。所有中微子都不带电荷,不参与电磁相互作用和强相互作用,但参与弱相互作用。。它们质量非常小,不带电。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子。它极难被探测,几乎不与物质发生相互作用,被称为“鬼微子”,可以轻松地穿过人体、建筑,甚至地球,不带来任何影响。所以,中微子在概念被提出11年后,科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子的存在。

 

  三代轻子模型图

 

   中微子尽管曾被许多人认为是虚幻的,但它却能够做到如光线穿透窗玻璃那般穿透金属铅之类的厚重物质,并且在运动过程中有三分之一会发生从一种形态转为另一种的振荡现象。很多人认为,这些特性无疑将令规则严苛的爱因斯坦相对论在其面前失去部分效用。

   以前人们以为中微子是没有质量的,永远以光速飞行。1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型,称为中微子振荡,间接证明了它们具有微小的质量。不过这个质量非常非常小,1998年之前还没有测出来,它们的飞行速度非常接近光速,1998年之前也没有测出与光速的差别。由于它很难探测,是我们了解最少的基本粒子,现在还存在大量的未解之谜。正因为如此,在其它粒子都有大量证据证明严格遵守相对论时,也有不少人怀疑中微子会不会是个特例?

   欧洲核子研究中心2011年11月23日宣布,他们发现一些粒子可能以快于光速的速度飞行,其到达时间比预计的早了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒),一旦这一发现被验证为真,将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论。不过后来被证明是一个失误,并没有超越光速!

   要说中微子,就不得不提它的“老大哥”——原子基本组成之一的中子。中子在衰变成质子和电子(β衰变)时,能量会出现亏损。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。

   1931年春,国际核物理会议在罗马召开,当时世界最顶尖的核物理学家汇聚一堂,其中有海森堡、泡利、居里夫人等。泡利在会上提出,β衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的,能量亏损的原因是因为中子作为一种大质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子,正是这种小质量粒子将能量带走了。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。

   泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受,但终究还蒙上了一层迷雾:谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过,中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候,我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生,直到回国,他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年,王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章,发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月,该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果,证实了中微子的存在,这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功,直到1952年,艾伦与罗德巴克合作,才第一次成功地完成了实验,同一年,戴维斯也实现了王淦昌的建议,并最终证证明中微子不是几个而是一个。

   在电子俘获试验证实了中微子的存在以后,进一步的工作就是测量中微子与质子相互作用引起的反应,直接探测中微子。由于中微子与物质相互作用极弱,这种实验是非常困难的。直到1956年,这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源,核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变,分裂成碎片时又放出中子,从而使其再次裂变。裂变碎片大多是β放射性的,反应堆中有大量裂变碎片,因此它不仅是强大的中子源,也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小,要求用大量的靶核,莱因斯选用氢核(质子)作靶核,使用了两个装有氯化镉溶液的容器,夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体,每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性,从而证实了中微子的存在。为此,他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖

   理论上讲,中微子的假设非常成功,但要观察它的存在却非常困难。由于它的质量小又不带电荷,与其它粒子间的相互作用非常弱,因而很难探测它的存在。1953年,美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的物理学家莱因斯和柯万领导的物理学小组着手进行这种艰难的寻觅。

发现过程:

   1956年,他们在美国原子能委员会所属的佐治亚州萨凡纳河的一个大型裂变反应堆进行探测,终于探测到反中微子。

   1962年又发现另一种反中微子。在泡利提出中微子假说以后,经过26年,人们才第一次捕捉到了中微子,也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。

 

资料来源:中国新闻网、中国科学院院网、百度名片、腾讯科技、新浪科技

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