5光年的鉛塊才能擋住中微子!為什麼它擁有如此強的穿透力?

2020-12-04 李論科學

幽靈粒子其實就是中微子,至於為什麼叫它幽靈粒子,完全是因為這種粒子很難被人們捕捉到,就跟幽靈一般。可以這麼說,在目前已知的所有基本粒子中,中微子是最難被探測到的。當然在宇宙中,還存在著一些我們目前無法探測到的粒子,例如:比中微子速度稍微慢一點的暗物質粒子,我們也稱其為冷暗物質。

暗物質粒子比中微子更加神秘。雖然我們人體對中微子和暗物質粒子無感,但是它們切切實實充斥著我們周圍的空間,每秒鐘就有數萬億個中微子和暗物質粒子穿透我們的身體。

那麼我們是如何發現中微子的?

首先說下,我們能發現中微子卻發現不了暗物質粒子,是因為中微子不僅在宇宙的早期被大量的保存了下來,其數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子,而且中微子還是核反應的副產品。但是暗物質粒子我們只知道在宇宙早期生成了這種粒子,但它們目前不參與任何形式的反應,所以我們無法去探測暗物質粒子。

現在我們回到中微子,這種粒子的發現得益於我們人類對小尺度或者是核反應的發現與研究。在此之前,我們認為宇宙中基本的守恆法則是質量守恆,因為人們發現不管是哪種化學反應,還是物理作用,也就是說你不管把一個物體讓它經歷怎樣的化學變化,或者通過物理的方式捶打成任何的性狀,反應之前的物質質量總和總是反應後生成物的質量總和是相等的。

以上的思想就是我們上中學時,寫化學方程式的原則,也就是物體的質量是不會發生變化的。但是當人們的研究尺度從原子層面走向了原子核,能量形式從化學反應走向了核反應,就發現了質量守恆這個準則出現了問題。因為在自然界中有些較重的原子核,一般來說比鉛重的元素都會發生衰變,衰變的方式就是通過釋放α粒子(氦原子核)或者β粒子(單個電子)轉變為更輕的元素。

這種神奇的反應會導致物質的質量明顯的缺失,讓人們不禁會想:這是不是違反了質量守恆定律。事實證明,當愛因斯坦通過狹義相對論方程推導著名的E=MC^2以後,人們才知道質量其實是能量的一種變現形式,而原子核發生核反應以後,生成物質量的缺失是因為有一部分質量通過能量的形式消散掉了。而之前的化學反應沒有發現質量缺失,是因為消散的能量實在是太小了,甚至可以忽略不計。

至此,維持了幾千年的質量守恆定理就被改寫為能量守恆,也就是說,在一個封閉的系統中,物質不管是經歷怎樣的變化,能量永遠是不會憑空消失的。當人們在仔細測量放射性原子的β衰變時,又發現了問題。這一次讓很多的科學家很惱火,甚至是有人都想放棄能量守恆這個鐵律。

因為放射性元素在發生β衰變以後,通過測量反應前後的能量總量,依然發現了有很小的一部分能量缺失,但這種缺失並不能忽略不計。而當時人們並沒有發現在β衰變的過程中還生成了什麼粒子。所以就連當時的科學大牛波爾都開始懷疑能量守恆可能是錯的。

這種情況其實只有兩種選擇,要麼徹底放棄堅持了幾個世紀的鐵一般的定律,要麼就是在反應中肯定還生成了我們未知、並且目前還無法探測到的粒子,它們在生成時帶走了一部分能量。物理學家泡利選擇了後者。在宇宙中除了能量守恆,還有電荷守恆,在反應前後並沒有發現電荷發生任何的變化,所以泡利認為這種新的粒子和中子的性質一樣不帶電荷是中性的,而且質量很小,因此當時稱其為微中子,後來才更名為中微子。

到了1950年美國物理學家柯萬(Cowan)和萊因斯(Reines)等人,通過氫原子核,也就是質子,捕捉核反應堆中生成的反中微子,發生反β衰變成功地證明了中微子的存在。並且在1995年獲得諾貝爾物理學獎。雖然發現了中微子,但是它的質量一直困擾著科學家,知道現在都沒有解決中微子的質量問題。

那麼中微子為何如此難以探測呢?

中微子難以探測主要有以下幾個方面:

不參與電磁相互作用,質量非常小,個頭也非常小,中微子質量之謎(中微子振蕩)

首先不參與電磁相互作用是最主要的原因。

在自然界中存在著四種基本力(電磁力、引力和強核力、弱核力),其中電磁相互作用力和引力是生活中最直觀也是影響最遠,最廣泛的兩種力,我們人類目前所掌握的探測手段,基本都集中在電磁力上。而中微子不帶電荷,所以不發生電磁相互作用,因此中微子可以輕鬆地穿透任何物質原子。

再一個就是中微子質量極低,而且個頭也小。中微子和電子一樣屬於輕子,但中微子的質量比電子要低得多,而且反應橫截面很小,它和原子核或者任何粒子相撞的機率非常低,也就是中微子很少會參與弱相互作用。因此它的穿透能力極強,5光年的鉛塊才能勉強擋住中微子。

最後一個就是,中微子質量的問題。標準模型預測中微子沒有質量,但是我們在觀測太陽中微子的時候發現捕捉到的中微子是預測總量的1/3,這說明中微子有很大一部分消失了。這就是著名的太陽中微子問題,後來人類才知道,中微子並沒有消失。而是中微子也存在三種味(電子中微子,μ中微子和τ中微子),這三種中微子可以通過弱相互作用互相轉換。這說明中微子存在質量,這也就是我們常說的中微子振蕩,指的就是中微子相互之間的轉換。

以上就是中微子的一些性質,以及它為何難以被發現的原因。

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