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在宇宙中,有一个神奇的粒子可以很容易地穿过所有种类的物质,每秒钟都有近1万亿这样的粒子穿过身体,但我们甚至无法探测到它。这种粒子鬼的存在也称为鬼粒子。事实上,它是一个着名的中微子。
中微子探索的历史也贯穿于现代科学的发展。科学家们坚信,对中微子的研究将使我们更好地了解宇宙的过去和未来。
让我们来谈谈这个中微子发生了什么,目前科学家们非常重视这个问题。
中微子的提出
这始于科学家对β衰变的研究。所谓β衰变是指将中子转化为原子核中的质子并释放出电子和中微子的过程(当然,当时还没有发现中微子)。
所以科学家们非常困惑,为什么在β衰变过程中,电子只带走一些能量,而不是带走总能量,也就是说,整个过程的能量和动量都不守恒,而且电荷是守恒。
这样的情况确实让很多科学家很崩溃,就拿爱因斯坦的强劲对手尼尔斯·波尔来说吧,这种“能量不守恒”的情况,差点都让他要放弃能量守恒定律。这也遭到了泡利的强烈反对。
到了一次国际核物理会议上,泡利就提出:
我们要坚信能量守恒定律,β衰变过程中,应该是有一种小质量的中性粒子将亏损的能量带走。
后来,费米给粒子命名为中微子。然而,当时人们并没有找到这种粒子存在的证据。
中微子的发展
当然,科学家们从未放弃寻找中微子。然而,通过理论计算,科学家发现中微子的质量很小,几乎接近0,最大质量仅为电子质量的1/1000000;而且由于它似乎是电中性的,它不会参与电磁相互作用;此外,中微子的穿透性极强,试图用弱力捕获它的几率极低,这个概率有多低?让我们看一看数据:
一个中微子大概要在宇宙中穿行一光年的距离,才有大概二分之一的概率会和这段路径上的物质发生反应。
因此,捕捉中微子的难度是可以想象的。1956年,美国科学家莱茵和科万经过多年的艰苦努力,终于观察到中微子的存在。
他们利用核反应堆产生的反中微子与质子反应,最终产生中子和正电子。反应性:
νe + p+ → n0 + e+
正电子和电子立即湮灭。他们通过探测这两个过程中产生的伽马射线,用一个核捕获中子,并观察反中微子是否参与反应,来确定中微子的存在。
后来,在1995年,这两位科学家获得了诺贝尔物理学奖。
事实上,在1970年,科学家们还首次使用氢气泡室来观测中微子。
鬼魅的中微子
自从科学家确认了中微子的存在,许多科学家就开始更深入的研究。其中一部分研究就和太阳相关。太阳的核心其实是核聚变反应,但更具体的来说是质子-质子反应链,是由四个氢核聚变生产氦-4的过程。
在质子-质子反应中,每产生3个光子,就会有2个中微子产生。太阳中的中微子一旦产生,由于自身穿透力特别强,所以可以直接径直发出太阳,而光子则需要跌跌撞撞,到底太阳表面平均要10多万年的时间。
而太阳产生的大量中微子中,就有一部分会以接近光速的速度径直飞到地球上来的。地球面向太阳的区域,平均下来,每秒钟,每平方厘米,都会穿过大概650亿个太阳产生的中微子。
1967年,科学家雷蒙德戴维斯在深达1500米的地下矿井中进行了试验,试图捕获太阳产生的中微子。
可问题是,无论他如何尝试,都只捕捉到了理论值的三分之一的中微子。当然,不止他遇到了这种事情,其他许多实验室也都遇到了类似的事情,其中就包括了日本的神冈中微子探测器。
同时,有这么多探测设备都遇到了同样的问题,那究竟是怎么回事呢?
中微子超光速了?
当时的人也很无奈,试图找寻各种理论进行解释,但都以失败而告终。直到一件可以载入史册的事情发生。这是在1987年2月23号的夜晚。有个编号为SN1987A的星体发生了超新星爆发。
世界各地的中微子探测器都发现了高能中微子,它们比光速早3小时到达。中微子比光速快吗?
事实上,事实并非如此,它实际上表明重力在质子和电子崩溃之前压缩了空间,电子简并力不容纳重力,因此产生了中微子。然后,在重力作用下,核聚变反应在核内强烈发生,从而产生光子,因此光子产生的时间比中微子晚。
而更重要的是这次中微子的数量和理论值是相吻合的。同时这个发现也完善了超新星模型,让我们获得了超新星爆炸后会形成中子星的充足证据。
然而,太阳中微子的问题并没有得到解决。到2001年,加拿大萨德伯里中微子天文台的sno实验证实,失踪的太阳中微子被转换成其他中微子。这是因为中微子实际上有三种:电子中微子、μ介子中微子和μ介子中微子。电子中微子首次被发现,后两个分别于1962年和2000年被发现。科学家发现有一种现象叫做中微子振荡,在这种现象中,不同种类的中微子可以相互转化。
在过去,1/3的太阳中微子被直接接收,因为过去的实验设备是专门用来观察电子中微子的,所以只接收到1/3的太阳中微子。
后来提出中微子振荡的两位科学家,在获得了诺贝尔物理学奖。