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宇宙大爆炸产生的“幽灵粒子”是何方神圣?

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2019-12-07  大科技杂...

“幽灵”是何方神圣?

我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸在一秒钟内产生了无数的中微子。宇宙大爆炸初期,由于光子无法摆脱引力外逃,而中微子却与物质不发生任何作用,可以畅行无阻。所以,它们携带了比光更早的宇宙信息走到了现在。由于中微子难以探测,所以被科学界称之为“幽灵粒子”。

科学家相信,宇宙在大爆炸之初,同时产生了物质世界和反物质世界,只是反物质后来消失了。它消失到哪里去了?要揭示反物质世界的消失之谜,就要从现存的物质世界中找寻蛛丝马迹,而科学家普遍认为,广泛存在于物质世界中的中微子,就包含了反物质世界是如何消失的重大信息。

谁发现了“幽灵”?

因为中微子在基本粒子理论中的重要地位和在天文观测中扮演着特殊角色,对中微子的研究虽然很困难,但一直吸引着科学家。

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,物质在β衰变过程中,有一部分能量失踪了。物理学上著名的哥本哈根学派领袖尼尔斯·玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。

1930年,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,以致仪器很难探测到。

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,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。同年,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,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。1995年,美国物理学家柯万和莱因斯等第一次通过实验直接探测到了中微子 ,他们因此获得了诺贝尔物理学奖。

“幽灵”地下实验室

光在星际传播时会受时空的影响而转弯,而中微子不会。因此中微子探测器都建在地下,以此来阻挡其他辐射源的干扰。目前世界上有好几个国家都建立了中微子地下实验室。

较早的有加拿大萨德伯里中微子观测站,建于上世纪80年代,主体建在1600米深的地下。在其核心部位的巨型塑料球体内填充着800吨特殊的物质,称为液体闪烁体。整个球体被“水壳”所环绕,被约一万个极其敏感的光检测器监控着,也就是光电倍增管 。当中微子与探测器中的其他粒子发生接触时,可在液体闪烁体中制造出光,而光电倍增管能够对此进行捕捉。在此基础上,科学家们才发现了中微子的三种形态。

世界最大的中微子观测站是建在南极的阿蒙森-斯科特冰立方中微子观测站。有多达5160个探测器分布在南极的冰层之下,以寻找源自宇宙中诸如恒星爆炸、黑洞和中子星等极端事件产生的高能中微子。据报道,当中微子闯入冰层中的水分子时,会产生一种锥形辉光,即切连科夫辐射,这正是冰立方探测器要捕捉的东西。科学家们希望借此还原中微子的运行路径,辨认它们的来源。

日本的大型中微子探测器是超级神冈探测器,是在日本西部神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中建造的。巨大的探测器中包含五万吨纯水,以及近11200个光电倍增管。与冰立方相似,神冈探测器也通过切连科夫辐射来捕捉中微子。1998年,神冈探测器率先发现中微子振荡的证据,并揭示出中微子也有微小的质量。

我国大亚湾的山区内埋藏着三个中微子实验厅。其中8个柱形探测器每个都包含着20吨的液体闪烁体,周围则有上千个光电倍增管。它们被置入纯水池中,以阻挡任何环境中的辐射。附近的一组核反应堆不断地产生着巨量的电子反中微子。这些反中微子接触到液体闪烁体,释放出辉光,并由光电倍增管捕捉。

未来应用

奇妙的中微子,现在我们能够产生它、探测它,那么能不能在日常生活中用上它呢?美国费米实验室的科学家利用一个试验装置,成功地用中微子应用于通讯,误码率百分之一。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质,这种通讯不会受海水和地层的阻挡,也无法干扰、拦截和破解。也许有一天,它能变成实用的通讯方式。 

不过在科学家眼中,基础研究的重要性要远远大于它的实用性。100多年前居里夫人发现原子核的衰变时,也无人知晓这将意味着什么,今天核能的利用已经深刻地改变了世界。今天无比神秘的中微子还只是在象牙塔里,随着人类对自然界认识的不断深入,中微子的更多谜团被揭晓的那天,也许将深刻地影响未来。

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