中微子

中微子

中微子又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号ν表示。中微子不带电,自旋为1/2,质量非常轻(小于电子的百万分之一)(另一说中微子没有静质量),以接近光速运动。
中微子个头小,不带电,可自由穿过地球,几乎不与任何物质发生作用,号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它,用了20多年的时间。
2013年11月23日,科学家首次捕捉高能中微子,被称为宇宙”隐身人”。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。

发现历程

发现

中微子的发现来自19世纪末20世纪初对放射性的研究。研究者发现,在量子世界中,能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的,而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的,是符合量子世界的规律的。奇怪的是,物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的,而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分,还有一部分能量失踪了。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。
1930年

1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。1931年春,国际核物理会议在罗马召开,与会者中有海森堡、泡利、居里夫人等,泡利在会上提出了这一理论。当时泡利将这种粒子命名为“中子”,最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中,1931年,泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被发现后,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。
1933年

1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。
1956年

美国物理学家柯万(Cowan)和莱因斯(Reines)等第一次通过实验直接探测到了中微子[2] 。他们的实验实际上探测的是核反应堆贝塔衰变发射的电子反中微子,该电子反中微子与氢原子核(即质子)发生反贝塔衰变,在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号,从而实现对中微子的观测。他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖[3] 。
研究结果

粒子物理的研究结果表明,构成物质世界的最基本的粒子有12种,包括了6种夸克(上、下、奇、粲、底、顶,每种夸克有三种色,还有以上所述夸克的反夸克),3种带电轻子(电子、μ子和τ子)和3种中微子(电子中微子,μ中微子和τ中微子)而每一种中微子都有与其相对应的反物质。中微子是1930年奥地利物理学家泡利为了解释β衰变中能量似乎不守恒而提出的,1933年正式命名为中微子,1956年才被观测到。
中微子[4] 是一种基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。

性质

太阳流向太空。每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体,甚至在夜晚,太阳位于地球另一边时也一样。
探测

由于中微子与其他物质的相互作用极小,中微子的探测器必须够大,以求能观测到足够数量的中微子。为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰,中微子的探测仪器时常设立在地底下。
2013年11月21日由美国国家科学基金会提供的照片显示的是位于南极站的“冰立方天文台”,这是世界上最大的中微子探测器。多国研究人员21日在美国《科学》杂志上说,他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。科学家评论说,中微子天文学从此进入新时代。中微子是一种神秘的基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。它能自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星,难以捕捉和探测,因而被称为宇宙中的“隐身人”。[2] [3][5]
速度

在“中微子震荡”这个概念出现以前,根据狭义相对论而建立的中微子标准模型,中微子的质量应为零[4],并应该以光速行进。然而,近年的研究似乎开始对“中微子的质量是零”这个假设开始动摇[4],亦因此开始有人质疑中微子是否能够以光速行进。
科学家首次对中微子的速度进行侦测在1980年代早期,当时科学家透过从脉冲质子束射击而产生的脉冲π介子束来测量中微子的速度。当带电的π介子衰变,就会产生μ子及中微子或电中微子。透过长基线的设计,由远方的加速器以此种方式产生中微子,经过地壳的作用削减背景事例,来进行中微子震荡的研究。透过检测加速器产生粒子,与中微子出现在侦测器的时间差,就可测量出中微子的速度。结果显示中微子的速度是光速与假设相符。后来当这个实验在其他地方重复时,测量中微子的方法改用了MINOS侦测器,测出了一颗能量为3 GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。由于这个速度的中间值比光速还要快,科学家当时认为实验的不确定性太大,而实际上中微子的速度应该不可能超过光速。这个实验设定了50 MeV的缈中微子的质量上限。[5][6]
超新星SN 1987A
同样的观测不单在地球上发现,当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时,世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是:这些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现象,当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来,而不是中微子比光速快”,而这个速度亦与光速接近。然而,对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议[6][7][8],当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡,其速度有可能会比光速还要快。
2011年9月,位于意大利格兰萨索国家实验室(LNGS)的OPERA实验宣布观测结果,并刊登于英国《自然》杂志[9]。研究人员发现,中微子的移动速度比光速还快[9][10][11]。根据这项对缈中微子的研究,发现当平均能级达到17 GeV的缈中微子从CERN走到LNGS,所需的时间比光子在真空移动的速度还要快60.7纳秒,即以光速的1.0000248倍运行,是实验的标准差10纳秒的六倍,“比光速快6公里[9]”,是非常显著的差异。如果此结果确定证实的话,将会是理论物理学界的一大震撼,其中一方的说法是,如果真的有如此大的差异,从超新星飞来的中微子应该早到数年而不是数小时。为此,合作进行实验的欧洲粒子物理研究机构特地举办了一场网络发表会[12],详细说明的实验的方法以及各种误差的估算,同时邀请其他的实验机构能够重复相同的实验,来作为此结果的验证。[13][14]然而,在2012年2月,CERN发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象[15],但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度[16]。为此将在2012年5月重新进行试验进行检测[17],在此之前,Opera的实验室中心主任已经引咎辞职。2012年5月,由诺贝尔奖得主卡洛·鲁比亚领导的团队ICARUS重新测量了中微子速度[18],发现结果并没有超过光速。

观测

中微子只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力

中微子通信
,能穿越地球直径那么厚的物质。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。正因为如此,在所有的基本粒子,人们对中微子了解最晚,也最少。实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然放射性(β衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立方厘米100个。1998年,日本超神冈(Super-Kamiokande)实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象,即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后,这一结果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚,它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

物理性质

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