讓我們來認識中微子

2021-01-20 天之文

2015年10月6日，諾貝爾獎委員會將諾貝爾物理學獎授予加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納(薩德伯裡中微子天文臺研究所主任)和日本物理學家梶田隆章(東京大學教授，日本宇宙射線研究所所長)，以表彰他們發現「中微子振蕩」。


那麼今天就讓我們來了解下中微子和中微子振蕩吧！


中微子是一種不帶電、只參與弱相互作用的粒子。人類已知的相互作用有四種，就是萬有引力、電磁相互作用，強相互作用和弱相互作用。其中，後兩種是在核反應中發現的，根據反應的強弱命名的。


19世紀末，人們發現了放射性：原子核會發生衰變。這其中有一種衰變，叫beta衰變，會發射出beta射線，也就是電子。但是，人們經過仔細測量後發現一個奇怪的現象，就是同一種核產生的beta衰變電子能量不是一個固定值。問題就在這裡： beta衰變後的原子核幾乎是固定不動的，它的能量可以用質能公式E=mc²算出來，如果電子能量是可變的，那麼衰變後的總能量就不守恆了。


為了解釋這一現象，當時有兩種猜想：玻爾猜想也許在 beta衰變中能量不守恆，泡利則猜想也許在beta衰變中除了電子外還產生了另一種沒有被觀測到的粒子。為什麼它沒有被觀測到呢?如果這種粒子不帶電，質量又很小，就可以不被觀測到。泡利把這種粒子稱為「中子」(neutron)，也就是中性(不帶電荷)粒子的意思。不過因為這個名字與我們熟知的中子相衝突，所以後來費米把它改名為中微子(neutrino)。


由於中微子不參與強相互作用和電磁相互作用，因此它很難探測。1942年，我國著名科學家王淦昌先生提出了用beta俘獲探測中微子，但直到1956年，Clyde L. Cowan 和 Frederick Reines 才用核反應堆作為中微子源探測到了中微子, 他們因這一工作於1995年獲得了諾貝爾獎。1962年，Leon M. Lederman, Melvin Schwartz 和 Jack Steinberger 用實驗證明存在不同「味道」的中微子，也就是每一種帶電的輕子有一種與之對應的中微子，與電子對應的叫電子中微子，與mu子對應的叫mu子中微子，還有後來發現的tau子應該也有對應tau子中微子。他們三人於1988年獲得了諾貝爾獎。


中微子振蕩是中微子由一種「味道」變成另一種「味道」，比如由電子中微子變成mu子中微子，但這種變化不是永久的，過一段時間後又變回來，好像鐘擺會擺來擺去一樣，所以叫振蕩。中微子振蕩是義大利物理學家Bruno Pontecorvo(1913-1993) 於1957年提出的。Pontecorvo曾經是費米的助手，法西斯上臺後去了北美，後來參與了英國的原子彈計劃。Pontecorvo是位共產黨員，也有傳言說是蘇聯間諜。1950年他舉家逃到了蘇聯。之後一直在蘇聯做研究, 中微子振蕩就是他從理論上提出的。


中微子研究體現了人類探索大自然奧秘的卓越成就。通過理論分析，泡利、Pontecorvo等人提出了中微子和中微子振蕩的概念，Bahcall 等人給出了定量化的理論預言，而這樣一種飄渺難尋的粒子，經過幾十年不懈的努力，人們不僅測到了它，而且最終弄清了它的性質，這是非常了不起的成就。中微子是一種只參與弱相互作用的粒子，對它的研究，也可以為我們研究大統一理論、質量的起源、對稱破缺、超新星、暗物質等提供很多線索。因此，今後這仍將是一個非常重要的研究領域。


微信編輯：數星星的貓

原文標題：天文學家帶你漫步中微子世界（上）

授權轉載自公眾號：賽先生（ID：iscientists）

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