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被发现六十周年的“幽灵粒子”:中微子  

2016-06-23 15:28:59|  分类: 科学研究(揭秘、 |  标签: |举报 |字号 订阅

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整个宇宙就是一座巨大的实验室:

天体物理学家利用整个宇宙作为巨大实验室精确测定了在宇宙大爆炸中产生的中微子的质量上限是0.29电子伏特,该测定是迄今为止对中微子质量最精确的测定。

澳大利亚昆士兰大学的天体物理学家沙艾?李默?索伦森(Signe Riemer-Sorensen)以第一作者把有关该测定的论文发表在了著名物理学杂志《物理学评论D》(Physical Review D)上。他指出:“这项研究为今后更加精确地进行星系巡查来理解宇宙运行的奥秘铺平了道路,同时也为超新星爆炸模型以及设计中微子望远镜提供了帮助,中微子望远镜能够比普通望远镜看到更远的宇宙天体。

中微子是一种高速运动并且很难被探测到的粒子。虽然传统的基本粒子理论框架——“粒子物理标准模型”认为中微子像光子那样是没有静止质量的。但是自从上世纪90年代末期以来,很多实验都表明中微子是有微小质量的。然而,要想确定中微子质量的具体数值,却是个棘手的难题。在实验室对中微子质量的测量受制于中微子内在的难以捉摸的性质,因为中微子与物质的相互作用非常微弱,所以地球上的探测器很难测量到大量的中微子事件。

沙艾?李默?索伦森说:“宇宙本身就可以进行一项巨大的实验,因为我们可以看所有中微子加在一起的总的效应。尽管构建一个合理的模型是一个很大的挑战,但是在确定中微子质量方面,使用宇宙学方法可以比实验室里的实验做得更好。”

“暗能量巡查”项目的初衷是通过测量富含新生蓝色恒星星系的分布来确定宇宙中总的暗能量,它产生了包含24万个星系的3维星系分布图。该项目利用的是位于澳大利亚新南威尔士州的“英澳天文台”的望远镜进行的,它能回望宇宙70亿年的古老星空。中微子质量的测定只是该项目偶然得来的一个副产品。

回到130亿年之前星系刚开始形成的时期,那时的暗物质把正常态的物质(构成恒星及我们人体的物质等)紧紧的拉在一起,当大部分物质都没法逃脱暗物质所设下的引力势阱的时候,高能的中微子却能够逃脱出去。中微子从胚胎期的星系中移走大量的质量对星系在宇宙中的分布有显著的影响。星系分布的情况是通过WiggleZ暗能量巡查得到的,而中微子质量的获得是通过星系的分布而建立的分析模型和模拟获得的。通过该方法测定的中微子的质量上限是0.29电子伏特,是电子质量的二百万分之一。

来自墨尔本大学的理论粒子物理学家雷蒙德?沃克斯(Raymond Volkas)说:“这个美丽的实验验证了中微子振荡的存在(一种类型的中微子通过量子力学机制从转变成另一种类型),证明了至少一种类型的中微子的质量大于0.05电子伏特。因此你可以看到,我们能够通过宇观和微观两个方向对中微子的质量进行限定。”

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广泛的应用:

在谈到这项发现的价值时沃克斯说:“中微子质量的测量非常重要,因为它能提供理解物质基本结构和起源的另一个重要线索。中微子的质量与其它的基本粒子的质量相比如此之轻,一定存在一个非常深刻的原因。中微子精确质量的获得将最终帮助我们解开这个谜团。”

李默 索伦森认为这个发现的另一个重要的应用是帮助设计和建立中微子望远镜。中微子望远镜能够使天体物理学家更加深远地回望宇宙的发端。他说:“中微子望远镜与传统的光学望远镜相比有着巨大的优势,因为中微子不像光子那样容易被遥远天体和我们之间的星际物质所散射,所以我们使用它能够看到更加遥远的宇宙天体。

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 中微子小八卦:

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。

中微子是一种基本粒子,不带电,质量极小,与其他物质的相互作用十分微弱,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。

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 宇宙“隐形人”:

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(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动。

中微子个头小,不带电,可自由穿过地球,与其他物质的相互作用十分微弱,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。

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 中微子研究简史:

1930年泡利提出中微子假说,用以解释β衰变中的能量缺失问题。

1934年费米提出包含该粒子的理论,并将其命名为“中微子”(neutrino,意大利语中“微小的电中性粒子”之意)。同年,汉斯·贝特(Hans Bethe)和鲁道夫·派尔斯(Rudolf Peierls)通过计算得出中微子与物质的相互作用极其微弱,因而认为无法通过实验对中微子进行观测。

1956年由弗雷德里克·莱因斯和克莱德·考恩领导的研究组通过观测萨瓦纳河电厂核反应堆产生的电子反中微子,首次得到中微子存在的确切证据。

1957年布鲁诺·蓬泰科尔沃(Bruno Pontecorvo)提出中微子振荡假说,认为中微子可以从一种类型转化到另一种类型。

1958年美国布鲁克海文国家实验室的科学家确认中微子总是具有左手螺旋性(也就是说自旋方向与运动方向相反)。

1962年由Leon Lederman,Mel Schwartz和Jack Steinberger领导的研究组在布鲁克海文国家实验室发现第二种类型的中微子,μ中微子。

1968年化学家雷·戴维斯率先开始探测由太阳产生的电子中微子。然而,他在位于霍姆斯特克矿井中的实验设备观测到的太阳中微子数目仅仅是太阳模型所预言的三分之一,从而引发“太阳中微子消失之谜”。

1973年位于欧洲核子研究中心的加尔加梅勒研究组的科学家首次观测到中微子-电子散射时产生的中性流,这表明一种新的相互作用媒介粒子的存在,并在后来被证实为Z玻色子。

1975年来自美国SLAC国家加速器实验室的Martin Perl及其同事首次观测到带电τ子,随后科学家便预言了τ中微子的存在。

1985年日本神冈实验及美国IMB实验在探测宇宙射线与大气中粒子相互作用时产生的大气中微子时,发现μ中微子与电子中微子的比例要比理论预言的小,这便是所谓的“大气中微子反常”现象。

1987年日本神冈实验及美国IMB实验首次探测到超新星1987A释放的中微子。

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 1988年利昂·莱德曼(Leon Lederman)、梅尔·施瓦茨(Mel Schwartz)及杰克·施泰因贝格尔(Jack Steinberger)由于发现μ中微子而被授予当年的诺贝尔物理学奖。

1989年来自欧洲核子研究中心和美国SLAC国家加速器实验室的科学家宣称,有证据表明只存在三种类型的轻型中微子,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。

1995年莱因斯由于发现电子中微子而分享了当年的诺贝尔物理学奖(译注:莱因斯当年的合作者克莱德·考恩已于1974年离世,享年54岁,因此未获奖)。

1998年日本超级神冈实验宣布发现中微子振荡的首个证据,这表明中微子具有质量。实验显示了当大气μ中微子从产生点飞往地下探测器时的消失现象。

2000年费米国家加速器实验室DONUT实验组的科学家首次观测到第三种类型的中微子——τ中微子。

2001年加拿大SNO实验组宣布发现太阳中微子振荡的首个证据。

2002年SNO实验组发布太阳中微子振荡的确切证据。同年,雷·戴维斯与小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)由于首次探测到中微子的宇宙来源而被授予当年的诺贝尔物理学奖。

2004年日本神冈实验宣布在记录核反应堆产生的反中微子时观测到电子反中微子的再现,从而表明反中微子也可以发生振荡。

2005年神冈实验室宣布首次发现地球中微子,也就是在地球内部产生的中微子。

2010年意大利格兰萨索国家实验室的OPERA实验组首次在μ中微子束中探测到一个τ中微子。表明μ中微子在从欧洲核子中心到格兰萨索的途中发生了振荡。

2015年超级神冈实验组的梶田隆章及SNO实验组的亚瑟·麦克唐纳由于在探测中微子振荡方面的突出贡献而荣获诺贝尔物理学奖。

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