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中微子: 渺小的“巨人”

2019年11月28日來源:光明日報

中微子是很小的粒子,它是一個不喜歡跟別人“交流”的東西,但中微子跟人們每一天的生活都有很密切的關系,像一位渺小的“巨人”。

試想一下,如果有一天,宇宙沒有了中微子,世界會變成什么樣?從物理學家的研究中看,如果沒有中微子的話,太陽將不會發光,也不會發熱,人類每一天的生活都會在黑暗的世界。

為什么科學家要研究中微子呢?因為科學家發現,中微子存在于宇宙的每一個角落!太陽的中心每一天都有很多中微子跑出來;在地球上利用核電的時候,反中微子會跑出來。

宇宙里一共有三類中微子,第一個是電子中微子,第二個是μ中微子,第三類是τ中微子。

從20世紀50年代到近期,科學家都相信中微子是沒有質量的,這是粒子物理一個很重要的基礎。中微子是很“害羞”的粒子,不喜歡跟別的東西有作用。所以要研究中微子物理的時候,科學家需要產生大量的中微子,還有很大的探測器,才可以看到中微子的作用。

大概20世紀60年代到20世紀90年代,Davis教授的團隊在美國Homestake礦洞研究太陽中微子,他們發現太陽中微子的數量跟科學家的計算差了很多,見到的只有預測的1/3,其他的2/3的太陽中微子去哪了?

另外有一個很奇怪的實驗結果,是20世紀90年代,在日本超級神岡探測器得到的,科學家用五萬噸的純水來研究從大氣里跑出來的中微子。結果他們發現大氣中微子從南極產生出來,經過地球,然后到探測器的時候,大約一半的中微子不見了。

科學家怎么樣去理解太陽中微子和大氣中微子不見了的問題呢?一種可能就是中微子振蕩。

開始的時候,一類中微子像白色的“幽靈”產生出來,科學家讓這些中微子往前跑;過了一段距離的時候,其中一個變成了另外一類。經過這種演變,就可以理解為何有一些中微子在跑的時候就不見了。

但怎樣證明中微子振蕩是正確的?在加拿大的SNO實驗,科學家用一千噸的重水做實驗,通過不同的中微子作用,觀察到電子中微子和其他兩類的中微子。科學家就知道中微子是可以改變他們本性的,并且也存在中微子振蕩。

通過中微子振蕩,科學家知道中微子是有重量的,所以以前說中微子沒有質量是不對的!因為中微子是有質量的,基本上宇宙的中微子總質量和跟發光的星體差不多,中微子的存在,對宇宙的發展有很大關系。所以,現在有新的物理在等待科學家去發展。

除了太陽中微子和大氣中微子振蕩以外,還有沒有第三類?我們的科研團隊在大亞灣核電站做一個新實驗,現在已經做到全世界最精準的第三類中微子振蕩的結果。

(作者:陸錦標,系未來科學大獎“物質科學獎”獲得者)

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