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用最贵的秤称最轻的物质

2021-07-22  大科技杂...

欧洲的一座小镇上,无论是当地人还是游客,此时都纷纷聚集,目瞪口呆地看着一个巨大的“铁罐头”缓缓经过。它造价高达7000万美元(约合4.5亿元人民币),但它既不是宇宙飞船,也不是什么高科技武器,而是一台秤。它重达220吨,称量的却是宇宙中最轻的物质之一——中微子。

小心翼翼穿过小镇的“铁罐头”

最小的粒子,最大的秘密

你或许思考过地球怎么诞生的,那你是否想过,质量是怎么来的?

无论是你的身体,还是水、空气、星球,都具有质量,质量是物质最基本的属性之一,似乎世间万物本来就应该有质量。你能跳多高?火箭要多快的速度才能飞离地球?质量对于许多物理问题都至关重要。不过,在科学家眼里,质量的起源也和宇宙的诞生一样神秘。而质量起源的答案,可能就藏在小小的中微子身上。

贯穿地球的幽灵

中微子与我们熟知的电子、光子一样,也是基本粒子,在宇宙中无处不在。它们的奇特之处在于能轻松穿过世界上的绝大多数物质,就连地球也不例外,它们仅需0.04秒就能穿过地球,以接近光速的速度飞奔。伸出你的手,光是指甲盖那么小的地方,每秒就有660亿个中微子穿过。就在你阅读这篇文章的时候,它们也在一刻不停地穿过你的身体。

但不用害怕,这种粒子不会对你造成半点伤害,你也感觉不到它们的存在。它们像幽灵一样,几乎不可能撞上原子内的原子核和电子,总是轻松穿过原子,不留下任何影响。

因此,中微子极难被发现,自1930年被提出后,科学家用了二十多年才找到它的踪迹。

世界上最灵敏的体重秤

想知道自己有多重,只要站到体重秤上就可以了;但对于难以捉摸的基本粒子,人们无法直接测出它们的质量。科学家已通过各种复杂的实验算出了多种粒子的质量,称量中微子却仍是个难题。于是,多国科学家共同合作,打造了这个名为“KATRIN”的巨型仪器,用它来“称”中微子的质量。

看起来笨重粗犷的KATRIN,其实是迄今为止最灵敏的秤,但它还是不能直接称量中微子,而是通过测算能量变化入手,因为物质的质量可以转换成能量。例如,原子弹的破坏力惊人,是因为它在核裂变反应中损失了一点质量,这些质量转化成了巨大的能量。物质的质量可以转换成能量,那中微子带走的能量也可以反过来代表它的质量。

五十万分之一

在KATRIN的帮助下,科学家终于得到了中微子质量的估计值。

电子是第二轻的物质粒子,质量约为9.1×10-28;而最轻的物质粒子——中微子,质量仅为电子的五十万分之一。同是物质粒子,中微子轻得简直不可思议,将其他粒子远远甩在了后头。未来,科学家们还将进行更多实验,预计会在3~5年内得到更精确的结果。当中微子的身世之谜最终被揭开时,人类对世界的认识也将更进一步。

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