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中微子是一种奇特的物质

当你开端读这篇文章的时间,每一秒钟都有650亿个中微子穿过你的眼睛,一起有更多的中微子穿过你的身体、你的房子和这个地球,但你却无法发现它们。

世界中充满了中微子,咱们却无法看见它

科学家们开始是不知道有中微子这样一种物质存在的。

中微子从原子核的改变中诞生,又能够反效果于质子,把它变成中子;它由于有极小的质量,所以只能挨近光速而不能抵达光速,但它却是世界中跑得最远的粒子。光子尽管速度更快却很简单被阻挠,但中微子不会,它简直能够穿透全部。

由于中微子一向被制造出来,它又很难被捕获被吸收,所以科学家们认为世界中的中微子数量或许比质子多10亿倍以上,它的存在极或许与暗物质、暗能量以及很多未解的物理学谜题有关。由于找到这种处处都有、却又来去无踪的鬼魂粒子,物理学家们至今总共得到四次诺贝尔物理学奖,这也从另一个视点说明晰中微子研讨的重要性。

中微子概念的提出

咱们知道物质都是由原子构成,原子在希腊语中意思是“不可分割”,后来科学家发现原子还能够再分,它由原子核和围绕在原子核周围的电子组成,而原子核又由质子和中子构成。再后来又发现质子和中子还能够再分红上夸克和下夸克,以及将夸克们“绑”在一起的标准玻色子(胶子)。夸克、玻色子和电子都被称为亚原子粒子。

现在已知的根本粒子

在19世纪后期,科学研讨人员对一种称为“β衰变”的现象感到困惑。在核物理学中,β衰变是一种放射性衰变,其间β射线(快速高能电子或正电子)会从原子核里自发地发射出来。在β衰变中,粒子的能量只减少了很少一点,而且质子停止的,它没有遭到碰击。这好像违反了能量守恒和动量守恒这两个根本物理规则。

1930年,物理学家沃尔夫冈·泡利(咱们最了解他的“泡利不相容原理”)提出这样一种观念:有一个额定的粒子或许会带着短少的能量和动量从原子核中飞出来了。泡利跟他的朋友德国天文学家沃尔特·巴德说“我做了一件可怕的工作。我现已假定了一个无法检测到的粒子!”他的意思是他假定的中微子十分可怕,它简直没有质量,而且简直不会跟任何东西发作效果。

中微子理论的提出者沃尔夫冈·泡利

事实上,泡利其时给中微子起的名字叫“中子”。1932年,英国物理学家查德威克发现了原子核里有一个更大质量的不带电粒子,他称这个新发现的粒子叫“中子”,由于他没意识到这个中子与泡利的“中子”有什么不同。1933年,另一位物理学家费米发现这是两种不同的东西,他在“费米的β衰变理论”中称:查德威克的“大中子”能够衰变为质子,电子和“小中子”

费米的β衰变理论

用直观的图形能够这样表明:

自在中子β衰变为一个质子、一个电子和一个电子反中微子

泡利提出中微子概念并一向坚持它的存在,并非表明他发现了中微子,而仅仅为了平衡放射性物质发作β衰变时显着丢掉的能量。在尔后的几十年里,科学界一向都在寻觅这个如鬼魂相同的粒子,但总是束手无策。

找到中微子

中微子之所以不简单找到,便是由于它极小而且不带电,所以中微子不与其它粒子彼此效果,除非它与质子迎头相撞。由于世界中粒子间的空间相对于中微子而言极端空阔,即便是细密的中子星都很难阻挠它,科学家们想尽办法都无法捕捉到中微子。

1941年,闻名核物理学家、时任浙江大学教授的王淦昌初次提出运用β捕获来检测中微子,詹姆斯·艾伦采用了他的主张,并在1942年发现了中微子存在的依据。

反中微子会与质子彼此效果发生中子和正电子

1956年,物理学家Frederick Reines和Clyde L. Cowan依据王淦昌的β捕获理论想出了一个验证中微子存在的试验。他们在美国佐治亚州奥古斯塔邻近的萨凡纳河核电站反响堆周围地下12 米的当地挖了两个坑,然后埋进去两个装了200升纯水的罐子,又在里面溶解了约40kg的氯化镉(CDCl 2)。镉是一种强中子吸收剂,当镉吸收中子后会由镉108跃升至镉109,一起开释伽马射线。这个伽马射线能够被安装在罐子夹层的110个5英寸光电倍增管接收到。

验证中微子原理

当β衰变时会发生一个正电子,这个正电子会敏捷找到一个电子并彼此湮灭,湮灭发生的两个伽马射线(γ)是可检测的;中微子碰击质子会发生一个中子。当正负电子湮灭和中子抓获一起发作,就能够一起检测到3个伽马射线,这样就能够证明中微子实践发生。

β捕获检测中微子试验,左边为核反响堆,右侧为检测设备

Reines和Cowan两人经过几个月的观测,总算从核反响堆发生的数百万亿计中微子中检测到几回β衰变反响,他们证明晰经过王淦昌的办法是能够证明中微子实践存在的。40年后,Reines由于经过试验证明中微子存在取得1995年诺贝尔物理学奖,Cowan现已逝世了。

其实,遵从王淦昌的主张取得诺贝尔物理学奖的还有物理学家查德威克,他知道原子核中存在中子,但没办法证明它。1930年在德国留学的王淦昌主张运用云室来研讨这些粒子,但他自己由于没有得到主管的支撑而无法进行这项试验,一年后查德威克采用了王的办法,他证明了中子的存在,1935年查德威克由于发现中子而取得诺贝尔物理学奖。

两弹功臣、李正路和邓稼先的教师,王淦昌院士

最近由于中微子而取得诺贝尔物理学奖的是日本科学家Takaaki Kajita和加拿大的Arthur B McDonald(没错,他姓麦当劳),他们发现中微子具有质量

由于中微子实在是太小,听说3个中微子加起来的质量只要电子的百万分之一乃至更低,所以此前一向有观念认为中微子或许跟光子相同是没有质量的。这两个科学家经过设在日本岐阜县超级神冈试验室的Super-K得到了不同的成果。Super-K是一个巨大的地下中微子勘探器,含有50,000吨超纯水,并在水池四周装备了数千个光勘探器。这两位科学家经过这台深埋地下的巨大水池发现了中微子会在它的“三种风格”(有说“滋味”)间相互震动,而且最重的中微子的质量是电子的千万分之一。

日本Super-K水池四周布满的中微子勘探器

要中微子何用?

现在科学家发现并现已证明的根本粒子中有6种是“轻子”,轻子是原子中的类电子粒子,它们不参加激烈的彼此效果,只能经过电磁和弱力彼此效果。这6种轻子中,有3种带负电,它们分别是:

  • 电子(e)
  • μ子(μ)
  • tauon(τ)

另3种显电中性,与每个带电的轻子相关,有三种不同的中微子:

  • 电子中微子(νe)
  • μ子中微子(νμ)
  • tonon中微子(νε)

你能够在前文中“根本粒子”图表中找到它们,便是图表左下方6个绿色方块中表明的粒子,红框中的是3种对应的中微子。

轻子与已知的三种中微子

包含太阳在内的恒星内部每秒钟都因核聚变而发生很多的中微子,这些中微子不受引力的影响,它们会以极高的速度逃离,仅每秒钟抵达地球表面的太阳中微子每平方厘米就有650万个以上;加上放射性物质衰变过程中发生的很多中微子;传说中世界大爆破初期发生的中微子;超新星爆破以及中子星旋转等过程中发生的中微子。能够说咱们的世界空间里处处都充满着这种细小粒子,它们有质量,所以它们很或许便是传说中的暗物质和暗能量的来历。

星系散布的规则意味着那里很或许隐藏着某些暗物质

到现在为止,包含咱们国家在内,全世界各国现已建造了54个以上的各型中微子勘探设备。咱们消耗巨资建造这些大科学设备找寻和研讨中微子,是由于解开了中微子之谜,就把握了解开现代物理学很多谜题的钥匙,它不只将协助咱们了解世界的结构和演化,还能够为核聚变反响供给新的动力。

关于中微子,你有什么主意?欢迎在谈论区留言评论。



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