每一秒鐘有萬億個中微子穿過人體,可為什麼我們感受不到?

2021-01-08 鍾銘聊科學

中微子

中微子是出了名的難找,這種粒子讓許多科學家吃盡了苦頭。要知道,同樣是粒子,電子在19世紀末,就被湯姆遜找到了。

但是直到21世紀初,科學家才把三種中微子都找全。那為什麼中微子這麼難找?

我覺得總結下來,一共有3點:

質量極其小不參與電磁相互作用中微子振蕩我們一點一點聊:

質量極其小的中微子

我們現在知道中微子一共有三種,我們把這稱為「三味」,2019年7月,3-D MegaZ DR7星系研究組曾發表他們測定的三味中微子的質量只和的上限是0.28 eV/c^2;

到了2013年,又有一個科學小組發布了他們的測定質量是0.23 eV/c^2;

到了2014年,基於普朗克衛星對於宇宙微波背景輻射的測定結果,這個數值改到估值為0.320 ± 0.081 eV/c^2。

這是個什麼概念呢?

我們先在理解一下什麼是eV/c^2,這裡eV其實是電子伏,是能量單位。在愛因斯坦的狹義相對論中,有一部分內容是質能等價,說的是質量和能量其實是一回事,它們之間是有對應關係的,可以通過質能方程E=mc^2來進行換算,如果我們簡單的移項,就會得到m=E/c^2,看到了吧?這裡的E/c^2就和上面中微子的質量後半部分是一樣的。

我們說回到質量,在粒子物理標準模型當中,在輕子中,除了中微子之外,最輕的就是電子了,它的質量大概是0.511 MeV/c^2,這裡M指的是兆,其實也就是英文million的意思,意思是百萬,也就是代表10^6。

我們把它們的質量單位統一一下,再來比較一下:

三味中微子的質量只和:0.320 ± 0.081 eV/c^2。

電子的質量:5.11*10^5 eV/c^2。

這回感受到了吧?這差出了6個數量級。

正是因為中微子質量實在太小,上世紀30年代左右,物理學家一直找不到它,但是他們發現,β衰變前後(也就是中子發生衰變,生成質子+電子+中微子,但是當時他們在產物沒有找到中微子),咋出現了質量的缺失,就是找不到缺失的是什麼。

為此,尼爾斯·波爾,量子力學哥本哈根學派的領袖,一生多次挫敗愛因斯坦的物理學大神,甚至要放棄能量守恆定律。

不參與電磁相互作用

在自然界中,存在著四種相互作用,強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用、引力。這四種相互作用是有作用範圍和強度區別的。

其中強相互作用是最強的,但作用範圍只有10^-15,只限於原子核的尺寸,電磁相互作用的強度僅次於強相互作用,弱相互作用屬於比較弱的,排行老三,作用範圍比強相互作用還要小。而引力則是強度最小的,我們之所以能夠明顯感受到引力,主要還是宇宙中的天體夠大。

你拿一個磁鐵就拿吸起來一個曲別針,其實這就說明,一個磁鐵對於曲別針的電磁相互作用就強於地球對於曲別針的引力。

而中微子其實很特別,它首先不參與強相互作用。更重要的是它顯示出電中性,不參與電磁相互作用,當然由於質量微乎其微,引力對於它的作用效果同樣可以忽略不計的,所以中微子最大的特點就是只參與弱相互作用。

那這會帶來什麼問題呢?

我們都知道光子吧?光子撞到物質上消失了是因為什麼呢?說白了,電子就是被吸收了,這其實就是電磁相互作用的結果。不參與電磁相互作用,意味著中微子可以非常隨著地穿過原子,畢竟原子核只佔原子1%都不到的空間,原子幾乎可以視為空心的。而且即使中微子穿過原子核,也不一定會發生弱相互作用,而只是有一點概率會發生。

因此,中微子的穿透力特別強,我們的身體每時每刻都會穿過10萬億個中微子,但我們根本察覺不到。甚至有研究表明,中微子在宇宙中飛行1光年的距離,才有50%的概率會和這個路徑上的物質發生反應。和中微子有類似效果的其實就是暗物質,也是不參與電磁相互作用和強相互作用,也是屬於那種穿過你的身體,但你毫無察覺的東西。

中微子振蕩

中微子不好找還有一個特別關鍵的情況,那就是中微子振蕩。早期科學家觀測太陽中微子,但是不管咋觀測,都只觀測到1/3的中微子,當然,當時只發現了一種中微子也就是電子中微子。後來,科學家陸續發現了另外兩種中微子之後,才知道,原來三種中微子之間會互相轉換。也就是說,電子中微子可能飛著飛著就變成了τ子中微子了在,這種神奇的事情也就只發生在中微子身上。

正是基於這三點,中微子特別難找到,並且顯示出極其強大的穿透力,讓我們很難感知到。科學家為了觀測到中微子,可以說是費勁心機,一般這些觀測實驗室都要建在地下數百米甚至千米,這樣才能排除宇宙射線的幹擾,然後就是備足足夠的純水以及精密的實驗設備,日本神岡中微子探測器就儲存著5萬噸純水,這就是用來觀測中微子的。

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