宇宙中十大最怪異物質(zhì) 微中子
簡(jiǎn)介:在我們的宇宙空間中存在著一些奇怪的物質(zhì)和美麗的現(xiàn)象，有些很大，有些很美麗，但有些卻非常怪異?，F(xiàn)在讓我們來了解一下宇宙中十大最怪異物質(zhì)。微中子，neutrino，一種不帶電荷，且質(zhì)量幾近于零的[url=javascript:linkredwin('粒子，');]粒子，[/url]這種粒子的速度接近[url=javascript:linkredwin('光速。');]光速。[/url]宇宙微中子則是現(xiàn)代科學(xué)界所能知的最接近'無物質(zhì)'的最小粒子，它也是一種黑暗的物質(zhì)。其中儒勒?凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》講述了尼莫(拉丁語為'無此人'的意思)船長(zhǎng)和他的'鸚鵡螺號(hào)'潛水艇的歷險(xiǎn)故事;小說中的'鸚鵡螺號(hào)'被用來探索海底世界，微中子也可以被用來觀測(cè)太空中那些遙不可及的天體。目前，歐盟正打造它的太空'鸚鵡螺號(hào)'--KM3微中子天文望遠(yuǎn)鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。微中子-特性微中子帶有中性電，事實(shí)上是一種無質(zhì)量的基本粒子，它能夠無阻礙地傳輸數(shù)英里。也許當(dāng)你看這條新聞時(shí)，微中子便不知不覺地穿過你的身體。這種'幻影'粒子產(chǎn)生于健康星體的內(nèi)部燃燒，這種原理就如同垂死星體的超新星爆炸。目前，科學(xué)家建立了一個(gè)微中子觀測(cè)網(wǎng)(IceCube)，該項(xiàng)目將探測(cè)器埋入地下、海水中或巨大冰層下。微中子-研究微中子物理研究進(jìn)行得如火如涂，主要原因是1998年日本Super-Kamiokande實(shí)驗(yàn)組的重大發(fā)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大氣微中子在抵達(dá)地底探測(cè)器途中發(fā)生振蕩現(xiàn)象，即從某一類微中子變換成另一類微中子。這種振蕩現(xiàn)象屬于量子效應(yīng)，起因于微中子弱作用本征態(tài)與其質(zhì)量本征態(tài)不同，并且質(zhì)量本征值之間互不相等。微中子振蕩并非新觀念，理論上早有人提出，只是實(shí)驗(yàn)上一直未能證實(shí)，因此也凸顯Super-Kamiokande實(shí)驗(yàn)的重要性。其實(shí)在Super-Kamiokande實(shí)驗(yàn)前，太陽微中子實(shí)驗(yàn)已進(jìn)行多年，其異常結(jié)果也引發(fā)微中子振蕩的想法，然而終究沒有確定結(jié)論。微中子-簡(jiǎn)史不過絕大多數(shù)的電子卻沒有帶走這么多能量，其中原因成謎，甚至到了讓物理學(xué)家想放棄能量守恒的地步。1931年Pauli提出微中子的想法，亦即β衰變的末態(tài)應(yīng)有第三個(gè)粒子-微中子存在。有微中子帶走一部份動(dòng)能，電子能譜的連續(xù)分布現(xiàn)象就很容易解釋了。Pauli假設(shè)微中子跟其他粒子的作用十分微弱，因此在實(shí)驗(yàn)室中尚未被觀測(cè)到，他也假設(shè)微中子電中性、無質(zhì)量且自旋為1/2的粒子。電中性的假定是為了維持電荷守恒;無質(zhì)量的假定是由于電子能譜的頂點(diǎn)Temax已經(jīng)和核子能量差(MZ+1,A-MZ,A)c 2相等，再也沒有多余
能量可以給微中子帶走。如果微中子有質(zhì)量Mν，則微中子，至少可以帶走Mνc。2的能量，和上述觀察矛盾;自旋1/2的假定是為了保證角動(dòng)量守恒。Pauli對(duì)微中子的性質(zhì)描述并未隨著粒子物理的發(fā)展而受到挑戰(zhàn)，至少Glashow,Salam及Weinberg的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，微中子仍被視為無質(zhì)量的粒子，并具有上述其他性質(zhì)。這項(xiàng)認(rèn)知直到1998年才有改變，我們稍后會(huì)再碰觸這個(gè)問題。由于微中子的作用很微弱，使得偵測(cè)微中子成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的一大挑戰(zhàn)。1956年Cowan和Reines終于偵測(cè)到微中子，實(shí)驗(yàn)所利用的反應(yīng)過程為++?+e npν亦即運(yùn)用質(zhì)子捕捉微中子而產(chǎn)生中子及正子。其中微中子系由核子反應(yīng)爐里的β衰變所產(chǎn)生，由于微中子-質(zhì)子的反應(yīng)截面積在目前能量范圍僅有10-44 cm2，因此本實(shí)驗(yàn)需要大量質(zhì)子來捕捉微中子。1962年，L.Lederman,M.Schwartz,J.Steinberger及他們的合作者發(fā)現(xiàn)了第二類微中子，
，在本實(shí)驗(yàn)之前，物理這類微中子被命名為νμ，有別于β衰變中的微中子νe
學(xué)家普遍認(rèn)為微中子只有一類，即使他們知道微中子亦可從π介子及μ輕子的衰變而來，如νμπ+?++,νμπ+???,ννμ++?++e.Schwartz等人利用Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Alternate Gradient Synchrotron(AGS)設(shè)施產(chǎn)生π介子，再讓π介子衰變出的微中子與核子碰撞產(chǎn)生帶電粒子。實(shí)驗(yàn)分析顯示這些帶電粒子為μ輕子，因此證實(shí)π介子衰變出的微中子有別于β衰變中的微中子νe。公元2000年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室第一次直接觀測(cè)到第三類微中子ντ。自從物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)微中子后，微中子束被廣泛應(yīng)用于粒子物理研究:重要成果包括發(fā)現(xiàn)中性流(Neutral Current)及精密測(cè)量電弱交互作用等。在這一節(jié)，我將介紹非加速器微中子物理。在此微中子不是來自實(shí)驗(yàn)室，而是來自我們熟悉的天文環(huán)境如大氣層或太陽。從大氣或太陽來的微中子帶給我們什么訊息呢?這得從微中子的振蕩(neutrino oscillation)說起。我們前面提過微中子一直被視為無質(zhì)量，然而限于實(shí)驗(yàn)精確度，很難證明微中子質(zhì)量的確為零。反之，如果微中子有質(zhì)量，即使是很小，只要不同類微中子具有不同質(zhì)量，則任一類微中子在誕生之后都可能轉(zhuǎn)換成另一類微中子，例如νe在誕生之后有某些機(jī)率會(huì)轉(zhuǎn)成νμ或ντ，這叫作微中子振蕩。經(jīng)過大約40年的努力，物理學(xué)家對(duì)微中子的振蕩效應(yīng)總算有了初步的成果，雖然微中子實(shí)驗(yàn)都位于地底下，但是微中子源來自天上:例如從大氣層或著從太陽來，因此這些研究也可被稱為'微中子天文物理'。大氣微中子實(shí)驗(yàn)告訴我們νμ會(huì)振蕩到ντ，而太陽微中子νe則會(huì)振蕩到νμ或ντ。上述振蕩之相關(guān)參數(shù)則包含質(zhì)量平方差及混合角。雖然既有微中子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)定出這些參數(shù)的范圍，要更精細(xì)測(cè)量這些參數(shù)尚有賴
地面加速器實(shí)驗(yàn)。由于篇幅的關(guān)系，我們沒有機(jī)會(huì)提到高能量微中子天文物理，這類研究和宇宙射線研究息息相關(guān)。由于近年來發(fā)現(xiàn)了極高能量之宇宙線微中子-類別微中子是基本粒子中的一種，共有三類:[url=javascript:linkredwin('電子微中子');]電子微中子[/url]，緲子微中子與濤微中子。起先提出的時(shí)候被認(rèn)為是不具質(zhì)量及電量的。但是根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示，微中子應(yīng)該是具有質(zhì)量的。不過質(zhì)量到底是多少呢?微中子的質(zhì)量過于微小，而且又不帶電荷，所以科學(xué)家一直沒有辦法來實(shí)際測(cè)量出微中子的實(shí)際質(zhì)量，只能使用間接的方法來估計(jì)它的質(zhì)量上下限。利用氚的衰變，科學(xué)家估計(jì)電子微中子的質(zhì)量上限約在2.2eV，而另外兩種的質(zhì)量上限約在MeV的數(shù)量級(jí)。由英國(guó)劍橋大學(xué)的Ofer Lahav領(lǐng)銜的一組科學(xué)家利用天文觀測(cè)的結(jié)果來估計(jì)微中子的質(zhì)量上限。他們觀測(cè)并估計(jì)宇宙中25萬個(gè)銀河的質(zhì)量，而用這些數(shù)值來估計(jì)微中子的質(zhì)量，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為微中子跟宇宙中的黑暗物質(zhì)有關(guān)，若是微中子的質(zhì)量過重，則會(huì)對(duì)可觀測(cè)到的銀河質(zhì)量及分布造成影響。根據(jù)他們觀測(cè)所得出的結(jié)果，他們給出了兩個(gè)結(jié)論。一，微中子占宇宙全部質(zhì)量的約13%，二，三種微中子的質(zhì)量合上限約在2.2eV。微中子-研究現(xiàn)狀歐洲KM3計(jì)劃的負(fù)責(zé)人之一，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的李?湯普森博士說:'利用微中子觀察宇宙是一種全新的技術(shù)。微中子不會(huì)被其他物質(zhì)吸收，也不會(huì)被其他東西反射。微中子可以穿過我們的身體，也可以穿過地球，但它們本身絲毫不受到影響。微中子不帶電荷，它們的運(yùn)動(dòng)路線也不會(huì)因其他電磁場(chǎng)而彎曲。所以，一旦發(fā)現(xiàn)微中子，并判斷出它的運(yùn)動(dòng)方向，我們就可以發(fā)現(xiàn)它在宇宙中的來源。'由于完全不受其他物質(zhì)的影響，微中子可以提供關(guān)于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，必須有一個(gè)巨大的探測(cè)器。為了讓KM3正常工作，大量的傳感器要被放置在地中海海底的一個(gè)巨大水體之內(nèi)，這樣它們才能捕捉任何偶然經(jīng)過的微中子軌跡。在小說中，'鸚鵡螺號(hào)'在航行中需要防御大型甲殼動(dòng)物的攻擊。在海底工作的KM3也有自己的麻煩。它需要被安放在一個(gè)沒有過多海底生物的地方，因?yàn)檫@些在黑暗中大量繁殖的海底生物會(huì)自己發(fā)光，從而干擾感應(yīng)器對(duì)微中子光的捕捉。微中子-諾貝爾瑞典斯德哥爾摩當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月8日11:45，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家小雷蒙德?戴維斯、日本科學(xué)家小柴昌俊和美國(guó)科學(xué)家里卡多?賈科尼。小雷蒙德?戴維斯來自于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)物理天文學(xué)系，小柴是日本東京大學(xué)初級(jí)粒子物理國(guó)際研究中心科學(xué)家，瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)為他們'在天體物理學(xué)領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，尤其是他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的微中子'。另一位獲獎(jiǎng)的是美國(guó)華盛頓特區(qū)聯(lián)合大學(xué)的里卡多?賈科尼，以表彰
他'在天體物理學(xué)領(lǐng)域取得的卓越成就，尤其是他的研究引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線
源'。
聯(lián)系客服
