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  • 中微子有静质量吗?如果有会如何?物理学家的回答让人意外

    从对中微子的研究看科学研究拨云见日的过程

    首先,回忆起中微子是什么是很重要的。早期放射性研究表明,中子会衰变,其衰变产物似乎只是质子和电子。但如果衰变产物仅仅是这些,则会产生一个令人不快的问题——如果一个中子是静止的,那它会带有一定的能量。(由于E =mc ^ 2,它的质量等于静止能量。)由于衰变产物的能量总和——质子和电子的质量与动能——与中子的剩余能量无法相等,两个可能由此被提出:能量不守恒,或是存在第三种衰变产物。

    中微子有静质量吗?如果有会如何?物理学家的回答让人意外

    沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)认为放弃能量守恒定律是不合适的,因此他在1930年提出中子衰变会产生第三种微粒(恩里科·费米(Enrico Fermi)称其为“小中子”或中微子)。鉴于中子是中性的,而电子的电荷为-1,质子的电荷为+1,这种微粒必须保持中性,即不带电荷或电荷为0。1956年,科温(C.Cowan)和莱因斯(F.Reines)直接检测到中微子,证实了泡利和费米的理论。(由于他的实验工作,Reines荣获1995年诺贝尔物理学奖。)

    中微子有静质量吗?如果有会如何?物理学家的回答让人意外

    不同于可以通过电磁力相互作用的电子和质子,中微子的相互作用只能依靠弱相互作用力(电子也可以通过弱相互作用力进行相互作用),这就导致泡利的理论提出后很长一段时间,中微子才被发现。顾名思义,弱相互作用力是很微弱的。一个中微子可以毫不费力地穿过我们的星球,事实上,当你阅读本文时,就有数十亿个中微子正在通过你的身体。这就可以想象,建造一个用来检测中微子的实验装置十分具有挑战性的。

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    自1956年以来,又发现了其他类型的中微子。电子,以及比电子大很多的μ子和τ子,这三种粒子都有各自的相关中微子,即电子中微子,μ子中微子和τ子中微子。(此外,这三种粒子也都有自己的反粒子,即电子反中微子,μ子反中微子和τ子反中微子。此外,中子的衰变实际上会产生一个电子,一个质子和一个电子反中微子,这也实现了方程两边的平衡。)早期的工作假设中微子没有质量,而很快就有实验证明了这一点——只要电子中微子和反中微子具有质量,那它一定非常非常小。

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    20世纪60年代,小雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)意识到,如果太阳通过核聚变发光,那它应该是中微子的丰富来源,。这些在在太阳核心产生的、被认为是重要的能量产生过程的各种聚变反应会产生中微子作为副产物。在霍姆斯特克矿场的一个著名的实验中,他着手检测部分太阳中微子。 约翰· 巴赫恰勒(John Bahcall)与戴维斯(Davis)合作,并在sns.ias写下此实验的历史记录。 尽管此事如此艰难——几年来,实验结果与预期的差异都是显而易见的:在霍姆斯特克发现的中微子的数量远低于以太阳为模型的预期。此外,20世纪80年代末到90年代初的新实验的出现,这个问题变得更加严重——中微子的数量不仅比预期少,它们的能量也与预期不符。

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    对这个问题的解释有三种:

    (1)我们的太阳模型是错的。特别是当太阳核心的温度略低于预测值时,聚变反应率会降低,地球上能够检测到的中微子数量也继而降低;

    (2)我们对中微子的理解还不够透彻,即中微子具有质量;

    (3)两者皆有。

    天文学家对解释(1)并不满意。 太阳核心的聚变反应对它的温度十分敏感。采用解释(1)似乎需要对模型进行一些精细的微调。 (20世纪90年代对太阳的观测证实了天文学家们最初的不满意。天文学家们利用日震学apod,找到了第二种方法来探测太阳表面以下的温度,结果显示太阳核心的温度与最好的模型预测结果是一致的。)

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    正相反,解释(2)似乎是合理的。别忘了,仅仅是检测到中微子都是具有挑战性的。中微子有质量的可能并非不合理。在20世纪70年代,维拉·鲁宾(Vera Rubin)和她合作者也证明了旋涡星云里似乎有许多看不见的物质。如果中微子有质量,则两个问题可能能够被一次性解决,不仅可以和太阳中微子的观测结果相匹配,还能够对一些“遗漏物”或暗物质做出解释。

    解释(2)是这样的:假设中微子有质量,那么我们观察到的电子中微子,μ子中微子和τ子中微子可能并不是“真正的”中微子。我们称真正的中微子为nu1,nu2和nu3,它们将以各种方式结合产生可观察到的中微子。除此之外,量子力学的各种性质也使得这些可观测的中微子在各种特点间“震荡”。因此,一个在太阳核心产生的中微子,会在到达地球的时候振荡成为一个μ子中微子。由于早期的实验只检测到了电子中微子,如果电子中微子变成了不同种类的中微子这种明显的差异就会被解决。这个解释被称作MSW效应,由Mikheyev, Smirnov和Wolfenstein三位物理学家首先提出。

    中微子有静质量吗?如果有会如何?物理学家的回答让人意外

    现在看来,第二种解释似乎是正确的。各种地面实验,例如萨德伯里中微子天文台(SNO)超级神冈天文台,液体闪烁体中微子探测器(LSND)实验和主注入器中微子振荡搜索(MINOS)似乎能够直接检测到中微子的振荡。

    解释中微子振荡所需的质量确实很小。这个质量足够小,以至于宇宙里的全部中微子都不可能对宇宙密度产生很大影响。尽管如此,它似乎的确足以解决太阳中微子问题。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    translate: Autumn Dream

    author: Joseph Lazio

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