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四度折桂:神奇的中微子还会继续赢得诺奖吗

2015-11-24 08:57 大数据实验室
远比想象想象的更有趣

物质由基本粒子构成。大多数人都听过电子、中子和质子,或许还有夸克,中微子组成了中子和质子(核能研究展望NPRV编辑:此处说法欠妥,质子与中子由夸克等组成)。但对于我们而言,中微子是最令人惊奇的基本粒子。 它们无处不在,每一秒钟倾泻到1平方厘米地球表面的中微子约有650亿个,这些由太阳核聚变所产生的微小粒子总是倏忽而过。

由于中微子几乎不与其他物质发生相互作用,今年的诺贝尔物理奖获得者东京大学教授梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳, 为了捕捉到它们,不得不搭建灌满成千上万吨水的巨大探测装置。在研究中,他们发现中微子远比我们想象想象的更为有趣。

一个正在太空中飞越的中微子,会明显连续以中微子的不同“类型”转换,改变它们与物质相互作用的方式,这就是所谓的中微子振荡。你不妨将其想象成这样一个图景:有一个小家伙在以接近光的速度运行,不断更换它外套的颜色。而从已发表的实验结果来看,中微子被认为没有质量。显然,今年诺贝尔物理奖得主的研究具有里程碑意义。


反中微子惹人好奇

中微子身上迷人的特性已显露无遗。2000年左右,大量建立在中微子具有质量这一基础上的实验成功地发现了更多的细节。然而,这些新发现也一如既往地引发了更多的问题。如今,人们已经很详细地研究了中微子振荡,并对它有了很好的了解。

但一个非常重要的问题在于:有没有反中微子,其与中微子振荡的极性相反?所有粒子都具有反粒子,例如,常见的带负电荷的电子,有正电子作为其反粒子,但是具有正电荷得是在核反应中产生。然而中微子不带电荷,也很难搞清楚其反粒子会是什么样。也许,它们几乎相同,而行为表现不同。

揭开反物质的秘密

探寻中微子和反中微子以不同的方式互相作用,可能会对解决物理学中最大的谜团之一,即“为什么整个宇宙只是由物质构成”产生深远影响。大多数人相信,在宇宙大爆炸期间,物质和反物质被等量生成。那么,所有的反物质到哪里去了?我们知道,反物质和物质无论何时相遇,都会毁于刹那间。也许为了避免终极毁灭,它才不出现在周围吧!不然,所有的物质也将不复存在了。

关于反物质,被当前多数人认同的主要解释之一是物质的行为不同于反物质。但是,仅弄清中微子和反中微子是如何改变自身“外套颜色”尚不能提供完整全貌。 答案或许来自有关中微子的第二个秘密,即为什么中微子的质量小得如此令人难以置信?


是否有过重中微子

在标准模型中,中微子比其他粒子轻得多。中微子产生的质量是不同的,如果这种说法正确, 那么可能存在两个版本的中微子:一个是今天观察到的具有极微小质量的中微子,另一个则是大量存在于宇宙诞生时的相对较重的中微子

理论计算指出,如果这些重中微子具有与其行为不同的反粒子,那么它们随后会衰变成若干像电子和正电子一样更小的粒子。而这一切会“不对称”地发生,这意味着在衰变时产生的反粒子比正粒子要少。在早期宇宙条件下,这可能会导致相对少的残留物质形成了我们今天的宇宙。

难怪科学家们会投入这么多的精力了解中微子的性质。 搞清楚这些中微子真实性质的唯一途径是寻找一种极其罕见的被称为“无中微子双β衰变”的核衰变。为了观察到这种衰变,许多实验室正准备对大量的同位素展开研究。


中微子组成暗物质?

中微子可能也为天体物理学家观测到的令人困惑的数据提供解释。数据表明,宇宙中还存在很多我们无法直接观察到的暗物质,它们比我们所观察到的物质大约多5倍。

2000年左右,有人认为,幽灵般的中微子可能是暗物质,但现在知道,它们都不够重。科学家观察到三种类型的中微子: 电子中微子、μ中微子和τ中微子,而且似乎还有这三种类型以外的其他类型粒子 。那么,问题是是否存在可以解释暗物质的额外中微子呢?

目前,许多中微子振荡实验是在搜寻既有中微子振荡理论的破绽。此外,天体物理学家也在追踪宇宙射线中额外中微子的迹象。

构成暗物质的究竟是什么,宇宙中为什么正物质比反物质多,这是现今物理学最重要的两个问题。如果能够将其解决,甚至只是弄清楚为什么中微子是如此之轻,都将是一个重大的突破。如今在世界范围内许多实验室之间展开了竞赛,正在试图弄清楚这些问题。

由此可见,神奇的中微子为摘取下一个诺贝尔奖还提供了大量的机会!


(来源:华凌. 中国科技网-科技日报. 2015.10.29)



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