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撼动宇宙的小粒子

2019-06-11

科学24小时 2019年2期
关键词:独行侠中微子原子

宇宙间有个独行侠,它身怀一门绝世武功,能轻松穿透人体、岩石、山脉乃至整个行星,在宇宙中、星系间任意驰骋。这个独行侠生性与世无争,它既不恋红尘,也不问世事,所到之处几乎不留痕迹,来无影去无踪,即便穿过一光年厚的铅块也不惊扰任何原子。此独行侠便是广泛存在于自然界中诡异且孤僻的基本粒子——中微子。

中微子的质量几乎为零,以接近光速行进,并且不与正常物质相互作用。对于它来说,宇宙中的一切就像是一层幻象,可以轻易穿透。虽然中微子行踪诡秘,但它偶尔还是会与原子发生碰撞,产生人们可以观测到的信号。为了捕捉到这难得的一瞥,科学家们布下了“天罗地网”。这张特殊的网虽然无法“网住”中微子,但能捕捉到它与原子碰撞时所发出的微弱闪光。根据这些涟漪般的踪迹,科学家就此可以推测出它的能量强度,以及从哪里来、到哪里去等信息。

中微子是宇宙中速度仅次于光的粒子,科学家一直尝试用标准模型来预测它的行踪。通过不断制造更加强大的工具去探测中微子,科学家逐渐将它的秘密公诸于世。原来行踪不定的中微子之所以难以被捕捉,主要原因是它有3个分身——电中微子、谬中微子、陶中微子,它们可以经过“振荡”由一种类型变为另一种类型。

迄今人类发现的中微子振荡共有3种。1998年,日本超级神冈探测器的科学家们发现了电中微子和谬中微子之间的变换;2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台探测到了太阳发出的全部3种中微子,证实了太阳中微子在达到地球途中发生了相互转换;2012年在中国大亚湾中微子实验室,一个名叫曹俊的青年科学家钻入3000多米的隧道,潜心钻研1600多个日夜后,发现了反应堆中微子振荡,并给出了至关重要的一个混合角参数13,这就是最后一种中微子振荡。

至此,科学家已经发现了中微子分身的秘密:3种中微子振荡,即太阳中微子振荡、大气中微子振荡和反应堆中微子振荡。而且科学家发现了中微子振蕩,就意味着中微子是有质量的,这样的结论与粒子物理的标准模型的“中微子是没有质量”的假设大相径庭。这一结论使得科学家大吃一惊,它不仅打破了人类对粒子物理的标准模型的迷思,而且推进了人类对于宇宙起源与形成的认知,毕竟中微子的存在成为人类打开新粒子物理世界的钥匙。

尽管各国粒子物理领域的科学家进行了接力赛式的中微子研究,诺贝尔物理学奖也数次垂青中微子研究领域,但中微子身上的谜团并没有完全解开。科学家虽然知道中微子有质量,它也是目前所发现的速度唯一可以追赶光速的粒子,但是中微子具体质量几何、顺序如何,依旧是未解之谜。

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