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中微子,你从何处来?

 楚科奇0118 2020-05-07

你知道吗?当你读这篇文章的时候,一种微小的粒子正以每秒数以万计的速度穿透你的身体——当然,你是感觉不到的,因为它们是一群非常孤僻的粒子,懒得跟构成你身体的原子打交道。

它们叫中微子,是宇宙中除光子之外最轻的一类粒子。这些粒子不带电,跟普通物质几乎不发生作用,所以非常难以捕捉。为了捕捉它们,科学家在南极冰下建造了世界上最大的中微子探测器——冰立方。冰立方的边长达1千米,但即便如此,能被探测到的中微子也寥寥无几。

已经探测到的中微子基本上都来自太空,其能量范围非常广,但我们迄今不知道它们起源于何处。

现在,两位德国物理学家利用冰立方的数据,根据这些粒子的能量和到达地球的方向,建立模型来解释它们的起源。他们认为,我们迄今探测到的中微子大致有4种起源。

能量最低的中微子产生于宇宙射线轰击地球大气层的时候。宇宙射线是一种能量很高的带电粒子,它们在高空与大气原子相撞,会产生大量中微子。

能量稍高的中微子,我们在南半球探测到它们的机会比北半球多。南半球朝向银河系的中心,根据这一点,可以认为这些中微子可能起源于我们的银河系。

能量再高一些的中微子,大多来自遥远的星系。它们可能来自宇宙中普遍存在,但不太明亮的一类星系,如星暴星系。这类星系中,正在形成的恒星相对较多。比如在我们银河系,现在正在形成的恒星平均每年仅有3个太阳质量,但在星暴星系,正在形成的恒星是银河系的100倍以上。

以上3种起源基本上已把所有我们身边的中微子囊括尽了。只剩一条“漏网之鱼”:冰立方迄今只捕捉到一次超高能中微子。它的能量是前面提到的那些中微子能量的数万倍。要携带如此大的能量,它必定诞生于宇宙中某些极端的环境中,如在超大质量黑洞附近。这种超高能中微子可能是宇宙射线与光子相撞,而不是与普通原子相撞时产生的。

中微子研究目前是粒子物理学的一个热门。我们知道,粒子物理学的标准模型几乎把微观粒子的所有行为都解释清楚了。为了让物理学能继续发展,人们必须突破标准模型。所以,如果有什么现象是标准模型解释不了的,那会让物理学家很兴奋。目前这种现象并不多见,但中微子质量不是零(标准模型预言是零)就是少数已知突破了粒子物理学标准模型的现象之一。

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