量子界的獨行俠,你知道是什麼嗎?

2021-01-18 科技與生活視野

中微子想像圖

α粒子可以穿透金箔,X射線可以穿透人體,γ射線可以穿透鋼板,還有一種穿透能力超乎想像的粒子,竟然可以輕鬆穿透地球。

它,就是中微子,量子界的獨行俠。

中微子,又譯作微中子,是輕子的一種,是組成自然界的最基本的粒子之一,常用符號希臘字母v表示。

中微子不帶電,只參與弱相互作用。因此中微子與其它物質的相互作用極弱,穿透地球輕而易舉。中微子號稱宇宙間的「隱身人」。

科學界從預言中微子的存在到發現它,用了20多年的時間。

19世紀末20世紀初,科學家發現,在β衰變過程中,電子只帶走了總能量的一部分,還有一部分能量失蹤了。哥本哈根學派領袖尼爾斯·玻爾一度認為,在β衰變過程中,能量守恆定律失效。

1930年,奧地利物理學家泡利提出了一個假說:在β衰變過程中,除了電子之外,同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去,帶走了另一部分能量,因此出現了能量虧損,能量守恆仍然成立。

1931年春,在國際核物理會議上,泡利將這種粒子命名為「中子」。剛開始,泡利認為這種粒子本來就存在於原子核中,隨後又推測這種粒子不是原來就存在於原子核中,而是衰變產生的。

1932年,中子被發現,義大利物理學家費米將泡利的「中子」更名為「中微子」。

1933年,費米提出了β衰變的定量理論,指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外,還有第三種相互作用——弱相互作用。β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子。

1956年,美國科學家萊因斯在實驗中直接觀測到中微子,獲得了1995年諾貝爾獎。

1962年,美國科學家斯坦伯格發現第二種中微子——μ中微子,獲得了1988年諾貝爾獎。

1968年,美國科學家戴維斯發現太陽中微子失蹤,獲得了2002年諾貝爾獎。

1985年,日本神崗實驗和美國IMB實驗發現大氣中微子反常現象。

1987年,日本科學家小柴昌俊觀測到超新星中微子,獲得了2002年諾貝爾獎。

1989年,歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。

1995年,美國LSND實驗發現可能存在第四種中微子——惰性中微子。

1998年,日本科學家梶田隆章以確鑿證據發現中微子振蕩現象,獲得了2015年諾貝爾獎。

2000年,美國費米實驗室發現第三種中微子,τ中微子。

2001年,加拿大科學家麥克唐納證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子,獲得了2015年諾貝爾獎。

2002年,日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振蕩。

2003年,日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。

2006年,美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振蕩。

2007年,美國費米實驗室MiniBooNE實驗否定了LSND實驗的結果。

2013年11月23日,科學家利用埋在南極冰下的粒子探測器,首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。

獨行俠——中微子,雖然詭異,來無影去無蹤,但卻十分「仗義」,為科學家「頒發」了6個諾貝爾獎。

在恆星內部,氫原子經過聚變和β衰變,便產生了氦原子,每一次β衰變,都會釋放出一個正電子和一個中微子。

中微子幾乎不會跟其他物質發生相互作用,它一旦產生,就會立即逃離恆星,飛向宇宙深處。

太陽有著極強的中微子輻射,地球上每平方釐米每秒就有幾十億個中微子穿過。一個成人的正面表面積大約有6000到8000平方釐米,每秒鐘就有近萬億個中微子穿透我們的身體。不過,不用害怕!中微子幾乎不會跟身體裡面的物質發生作用,對人體無害。

中微子有三種類型:電子中微子、μ中微子和τ中微子。

在β衰變中,隨著正負電子一起產生的,叫作電子中微子。

電子中微子產生之後,在太空傳播的過程中,會演化成三種中微子的量子疊加,而且三種中微子的成分還會振蕩著發生周期性變化。

設置在中國大亞灣核電站附近的電子中微子探測器,直接觀測到了中微子振蕩。中國科學家在國際上首次觀測到第三種中微子振蕩,並測量了其混合強度,為人類探索自然基本規律做出了重要貢獻。

中微子的質量極小,估計只有電子質量的一千萬分之一。三種中微子的質量略有不同。

中微子的運動速度極快,接近光速。

中微子的自旋為1/2。

跟其它微觀粒子一樣,中微子也有波粒二象性。中微子的振蕩就源於它的波動性。

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