宇宙中十大最怪异物质 微中子

宇宙中十大最怪异物质 微中子

简介:在我们的宇宙空间中存在着一些奇怪的物质和美丽的现象，有些很大，有些很美丽，但有些却非常怪异。现在让我们来了解一下宇宙中十大最怪异物质。微中子，neutrino，一种不带电荷，且质量几近于零的[url=javascript:linkredwin('粒子，');]粒子，[/url]这种粒子的速度接近[url=javascript:linkredwin('光速。');]光速。[/url]宇宙微中子则是现代科学界所能知的最接近'无物质'的最小粒子，它也是一种黑暗的物质。其中儒勒?凡尔纳的科幻小说《海底两万里》讲述了尼莫(拉丁语为'无此人'的意思)船长和他的'鹦鹉螺号'潜水艇的历险故事;小说中的'鹦鹉螺号'被用来探索海底世界，微中子也可以被用来观测太空中那些遥不可及的天体。目前，欧盟正打造它的太空'鹦鹉螺号'--KM3微中子天文望远镜，它将安装在地中海一立方公里的海水中。微中子-特性微中子带有中性电，事实上是一种无质量的基本粒子，它能够无阻碍地传输数英里。也许当你看这条新闻时，微中子便不知不觉地穿过你的身体。这种'幻影'粒子产生于健康星体的内部燃烧，这种原理就如同垂死星体的超新星爆炸。目前，科学家建立了一个微中子观测网(IceCube)，该项目将探测器埋入地下、海水中或巨大冰层下。微中子-研究微中子物理研究进行得如火如涂，主要原因是1998年日本Super-Kamiokande实验组的重大发现。该实验发现大气微中子在抵达地底探测器途中发生振荡现象，即从某一类微中子变换成另一类微中子。这种振荡现象属于量子效应，起因于微中子弱作用本征态与其质量本征态不同，并且质量本征值之间互不相等。微中子振荡并非新观念，理论上早有人提出，只是实验上一直未能证实，因此也凸显Super-Kamiokande实验的重要性。其实在Super-Kamiokande实验前，太阳微中子实验已进行多年，其异常结果也引发微中子振荡的想法，然而终究没有确定结论。微中子-简史不过绝大多数的电子却没有带走这么多能量，其中原因成谜，甚至到了让物理学家想放弃能量守恒的地步。1931年Pauli提出微中子的想法，亦即β衰变的末态应有第三个粒子-微中子存在。有微中子带走一部份动能，电子能谱的连续分布现象就很容易解释了。Pauli假设微中子跟其他粒子的作用十分微弱，因此在实验室中尚未被观测到，他也假设微中子电中性、无质量且自旋为1/2的粒子。电中性的假定是为了维持电荷守恒;无质量的假定是由于电子能谱的顶点Temax已经和核子能量差(MZ+1,A-MZ,A)c 2相等，再也没有多余

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能量可以给微中子带走。如果微中子有质量Mν，则微中子，至少可以带走Mνc。2的能量，和上述观察矛盾;自旋1/2的假定是为了保证角动量守恒。Pauli对微中子的性质描述并未随着粒子物理的发展而受到挑战，至少Glashow,Salam及Weinberg的粒子物理标准模型中，微中子仍被视为无质量的粒子，并具有上述其他性质。这项认知直到1998年才有改变，我们稍后会再碰触这个问题。由于微中子的作用很微弱，使得侦测微中子成为实验物理学家的一大挑战。1956年Cowan和Reines终于侦测到微中子，实验所利用的反应过程为++?+e npν亦即运用质子捕捉微中子而产生中子及正子。其中微中子系由核子反应炉里的β衰变所产生，由于微中子-质子的反应截面积在目前能量范围仅有10-44 cm2，因此本实验需要大量质子来捕捉微中子。1962年，L.Lederman,M.Schwartz,J.Steinberger及他们的合作者发现了第二类微中子，

，在本实验之前，物理这类微中子被命名为νμ，有别于β衰变中的微中子νe

学家普遍认为微中子只有一类，即使他们知道微中子亦可从π介子及μ轻子的衰变而来，如νμπ+?++,νμπ+???,ννμ++?++e.Schwartz等人利用Brookhaven国家实验室的Alternate Gradient Synchrotron(AGS)设施产生π介子，再让π介子衰变出的微中子与核子碰撞产生带电粒子。实验分析显示这些带电粒子为μ轻子，因此证实π介子衰变出的微中子有别于β衰变中的微中子νe。公元2000年，美国费米国家实验室第一次直接观测到第三类微中子ντ。自从物理学家发现微中子后，微中子束被广泛应用于粒子物理研究:重要成果包括发现中性流(Neutral Current)及精密测量电弱交互作用等。在这一节，我将介绍非加速器微中子物理。在此微中子不是来自实验室，而是来自我们熟悉的天文环境如大气层或太阳。从大气或太阳来的微中子带给我们什么讯息呢?这得从微中子的振荡(neutrino oscillation)说起。我们前面提过微中子一直被视为无质量，然而限于实验精确度，很难证明微中子质量的确为零。反之，如果微中子有质量，即使是很小，只要不同类微中子具有不同质量，则任一类微中子在诞生之后都可能转换成另一类微中子，例如νe在诞生之后有某些机率会转成νμ或ντ，这叫作微中子振荡。经过大约40年的努力，物理学家对微中子的振荡效应总算有了初步的成果，虽然微中子实验都位于地底下，但是微中子源来自天上:例如从大气层或着从太阳来，因此这些研究也可被称为'微中子天文物理'。大气微中子实验告诉我们νμ会振荡到ντ，而太阳微中子νe则会振荡到νμ或ντ。上述振荡之相关参数则包含质量平方差及混合角。虽然既有微中子实验已经定出这些参数的范围，要更精细测量这些参数尚有赖

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地面加速器实验。由于篇幅的关系，我们没有机会提到高能量微中子天文物理，这类研究和宇宙射线研究息息相关。由于近年来发现了极高能量之宇宙线微中子-类别微中子是基本粒子中的一种，共有三类:[url=javascript:linkredwin('电子微中子');]电子微中子[/url]，缈子微中子与涛微中子。起先提出的时候被认为是不具质量及电量的。但是根据目前的实验证据显示，微中子应该是具有质量的。不过质量到底是多少呢?微中子的质量过于微小，而且又不带电荷，所以科学家一直没有办法来实际测量出微中子的实际质量，只能使用间接的方法来估计它的质量上下限。利用氚的衰变，科学家估计电子微中子的质量上限约在2.2eV，而另外两种的质量上限约在MeV的数量级。由英国剑桥大学的Ofer Lahav领衔的一组科学家利用天文观测的结果来估计微中子的质量上限。他们观测并估计宇宙中25万个银河的质量，而用这些数值来估计微中子的质量，因为他们认为微中子跟宇宙中的黑暗物质有关，若是微中子的质量过重，则会对可观测到的银河质量及分布造成影响。根据他们观测所得出的结果，他们给出了两个结论。一，微中子占宇宙全部质量的约13%，二，三种微中子的质量合上限约在2.2eV。微中子-研究现状欧洲KM3计划的负责人之一，英国谢菲尔德大学的李?汤普森博士说:'利用微中子观察宇宙是一种全新的技术。微中子不会被其他物质吸收，也不会被其他东西反射。微中子可以穿过我们的身体，也可以穿过地球，但它们本身丝毫不受到影响。微中子不带电荷，它们的运动路线也不会因其他电磁场而弯曲。所以，一旦发现微中子，并判断出它的运动方向，我们就可以发现它在宇宙中的来源。'由于完全不受其他物质的影响，微中子可以提供关于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，必须有一个巨大的探测器。为了让KM3正常工作，大量的传感器要被放置在地中海海底的一个巨大水体之内，这样它们才能捕捉任何偶然经过的微中子轨迹。在小说中，'鹦鹉螺号'在航行中需要防御大型甲壳动物的攻击。在海底工作的KM3也有自己的麻烦。它需要被安放在一个没有过多海底生物的地方，因为这些在黑暗中大量繁殖的海底生物会自己发光，从而干扰感应器对微中子光的捕捉。微中子-诺贝尔瑞典斯德哥尔摩当地时间10月8日11:45，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔物理奖授予美国科学家小雷蒙德?戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡多?贾科尼。小雷蒙德?戴维斯来自于美国宾夕法尼亚大学物理天文学系，小柴是日本东京大学初级粒子物理国际研究中心科学家，瑞典皇家科学院认为他们'在天体物理学领域做出卓越贡献，尤其是他们发现了宇宙中的微中子'。另一位获奖的是美国华盛顿特区联合大学的里卡多?贾科尼，以表彰

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他'在天体物理学领域取得的卓越成就，尤其是他的研究引导发现了宇宙X射线

源'。

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