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奇妙的中微子:物理学家不断追寻的幽灵粒子

2019/1/15 8:25:30来源:新浪科技作者:任天责编:孤城评论:

1月15日消息,据国外媒体报道,每一天的每一秒,你都会受到来自宇宙深处的数万亿个亚原子粒子的攻击。它们以宇宙飓风之势穿过你的身体,轰击速度近乎光速。它们来自整个天空,轻而易举地穿过地球大气层,而且无论白天或黑夜,无时无刻。

然而,我们对这一切毫无察觉,似乎也毫发无伤。到底发生了什么?

微小的电中性粒子

这些微小的粒子被称为中微子(neutrino)。1934年,杰出的美籍意大利裔物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)提出了这一术语。在意大利语中,“neutrino”的字面意义是“微小的电中性粒子”。中微子概念的提出,其实是物理学家用来解释一个奇特核反应的尝试。

有些元素有时会有些不稳定,如果它们长时间单独存在,就会分崩离析,转变为别的元素,确切地说,是元素周期表上比之略轻的元素。此外,转变过程中会产生一个电子。在20世纪20年代,物理学家通过对这些衰变过程的细致观察和分析后发现,存在一些微小的能量不守恒现象。换句话说,该过程开始时的能量要比最终呈现的能量略大一些。这在数学上说不通,太奇怪了!

于是,少数物理学家假设了一种全新粒子的存在。这些粒子携带着缺失的能量,它们很微小,很轻,而且没有电荷。它们可以悄无声息地躲过探测器的观测。

证实中微子的存在花费了数十年时间,足见这些微小粒子的神秘。1956年,中微子被归入了一类已知并结果测量和确认的粒子,事情又变得更加奇妙了。

最合适的“味”

这个难题是随着μ子(渺子,muon)的发现而出现的。有趣的是,μ子也是在中微子概念提出的时候(20世纪30年代)被发现的。μ子的性质几乎就和电子一样,具有同样的电荷和自旋。它的特别之处在于,它的质量大约是电子的200倍,因此可以想象成一个“加重版”的电子。

μ子会参与特定类型的反应,但通常不会持续很久。由于“块头”较大,因此μ子非常不稳定,会迅速(1到2微秒)衰变成更小的粒子。物理学家已经对这一过程了解很多,但这和中微子的故事有什么关系呢?

物理学家注意到,表明中微子存在的衰变反应总是会产生一个电子,而不是一个μ子。在其他反应中,μ子会出现,而不是电子。为了解释这些发现,物理学家推测某些中微子(不是其他类型的中微子)总是在一些衰变反应中和电子成对出现,而μ子必须与某种尚未发现的中微子成对出现。毕竟,对电子“友好”的中微子无法解释μ子事件的观察结果。

搜寻工作继续进行,直到现在。到了1962年,物理学家终于锁定了第二种中微子。最初它被称为“中介子”(neutretto),但物理学家最终还是选择了更加理性的叫法——μ中微子(muon-neutrino),因为它在反应中总是与μ子成对出现。

τ子的出现

好了,已经证实有两种中微子存在,大自然是否还有更多的惊喜呢?1975年,斯坦福线性加速器中心(2008年更名为SLAC国家加速器实验室)的研究人员对海量的数据进行了筛选,揭示了一种质量比电子和μ子更大的基本粒子的存在:τ子(tauon)。这种粒子的质量是电子的3500倍,是个相当可观的粒子!

于是问题来了:对于这3种粒子,电子、μ子和τ子,在电中微子和μ中微子之外,是否还存在与τ子对应的中微子?可能存在,也可能不存在。可能只存在两种中微子,也可能有4种中微子。或许甚至有17种……大自然从来不会完全符合我们的期望,所以没有理由现在就下结论。

几十年来,物理学家一直在用大量实验和观测结果来说服自己:第3种中微子应当存在。但是,直到接近千禧年时,一项在费米实验室进行的专门实验才最终取得了成功。2000年7月,DONUT(英语“Direct Observation of the NU Tau”的缩写,)实验协作项目宣布了τ中微子的发现。

追逐幽灵

那么,为什么我们如此关心中微子?从第二次世界大战到现在,我们已经追逐它们超过70年?为什么一代代科学家对这些微小的电中性粒子如此着迷?

原因在于,中微子不断超出我们的预期。很长一段时间里,我们甚至不确定它们是否存在;很长一段时间里,我们曾确信它们完全没有质量,直到实验结果告诉我们,这些微小的粒子必须具有质量。它们的质量究竟是多少,仍然是物理学家在探索的问题。而且,中微子有一种十分恼人的“习惯”——在传播过程中会发生“味”(flavour)的振荡,但在产生和被探测时具有明确的味。在粒子物理学中,“味”是基本粒子的一种量子数。

物理学家还推测可能存在另外一种不会参见任何常规相互作用,但可以通过中微子振荡产生的中微子,即惰性中微子。物理学家正在努力寻找这种神秘粒子的踪影。一些最新研究和实验的异常数据表明,包括惰性中微子在内的新型中微子仍有可能存在。

可以说,中微子不断挑战着我们所知的物理学。无论是过去还是将来,它们都将是物理学家最希望解决的挑战之一。

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关键词:中微子物理

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