中微子隱藏著許多宇宙的奧秘,對它的研究可以解開這些謎題

2020-10-06 萬象經驗

20世紀中期,物理學家在研究β衰變時發現了一種不尋常的現象:中子在衰變成質子和電子時能量不守恆,有一部分能量神奇地消失了。以玻爾為首的幾個物理學家認為,能量守恆定律只在宏觀上成立。在微觀上,量子力學主導一切,能量守恆不必成立。但是,泡利反對了這一說法,為了捍衛能量守恆的權威,泡利提出了中微子假說。他認為衰變發生時肯定生成了一種未知的粒子帶走了能量,這種粒子被他命名為中微子。後來證明泡利是正確的。



中微子是極微小的粒子,質量接近於零,很少與物質發生反應。它的身上背負著宇宙的許多奧秘,一旦我們有了研究它們的方法,自然而然就會解開這些宇宙奧秘。

但是,研究它們的困難在於,它們不參與強力作用,而且引力相互作用也非常微弱。因此,它們可以暢通無阻地穿過物質,而不與其發生反應,因此我們很難發現它的存在。事實上,每秒鐘都有成千上萬個中微子穿過我們的身體,但是我們卻無法發覺。不僅如此,中微子還在不停地穿過整個地球。

宇宙內中微子的來源通常是恆星中的核反應、超新星或宇宙射線撞擊原子而產生的。而這些產生中微子的方法意味著,我們可以通過中微子研究遙遠的恆星和遙遠的核反應。目前,中微子探測器只能確認兩個來自地外的中微子來源:太陽和一顆名為1987A的超新星。實際上,太陽是穿過地球的中微子的重要來源。



目前我們知道有許多種中微子,不同種中微子之間可以相互轉換,並且每種中微子都有與之相關的反中微子。

如何探測中微子

中微子天文臺由一系列中微子探測器組成。由於中微子幾乎不與任務物質相互作用,因此中微子探測器必須要非常大才能探測到有意義的東西。並且,它們還需要建造在背景噪音低的地方,以便將宇宙輻射和其它輻射隔離開來。



探測中微子的技術方法有許多種。一種觀測技術是利用一種被稱為閃爍體的設備。這些設備通常安裝在水下,當反中微子以足夠高的能量穿過它們時,會發生一系列相互作用,從而釋放出光子。閃爍技術通常觀測的是核反應堆中產生的中微子,因為只有這樣才能讓極少數的中微子擁有足夠高的能量,從而被該設備所探測到。

除了閃爍,研究人員還可以使用氯探測器。裝滿含氯液體的容器會偶爾受到中微子的影響,這意味著一些氯原子會變成氬-37。這種氬可以周期性地過濾出去,從而測量同位素的狀態和數量。



切倫科夫探測器也是檢測中微子的另一種方式,它們利用了切倫科夫光的原理。切倫科夫探測器包含大量透明材料,比如水或冰,然後由光敏光電倍增管包圍。當中微子的速度高於介質中的光速時,切倫科夫輻射的衝擊波就會產生,就像戰鬥機突破音障一樣。這種輻射可以被光電倍增管採集,然後對數據進行分析,以確定中微子的方向、能量和其他特徵。

隨著探測器越來越先進,數量越來越多,相信在不久的將來,科學家一定能夠破解中微子的奧秘,從而使我們對宇宙的理解更加深入。

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