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希格斯玻色子

2019-06-11

科学24小时 2019年2期
关键词:中微子质子物理学家

2018年7月,由威斯康辛大学麦迪逊分校主导的“冰立方”小组宣布,冰立方探测器于2017年9月22日探测到一个来自37亿光年之外的超高能中微子。美国宇航局(NASA)的费米卫星小组则宣布:在同一方向的一个编号为TXS 0506+056的天体的伽玛射线的亮度在此期间突然变大,这意味着这个中微子很可能来自耀变体TXS 0506+056。这个结果还意味着有某种过程,能够同时产生高能中微子和高能伽玛射线光子。

能几乎同时观测到同一个天体发射的中微子和光子,意味着人们已经破解了中微子和宇宙线的一部分秘密,也意味着多信使天文学获得了又一个重要进展。事实上,在过去的几十年里,中微子揭示出大量的秘密,例如:大质量恒星何以成为超新星?太阳中微子为什么会失踪?中微子究竟有没有质量?

1930年,中微子这个粒子首先被预言。此后至今近百年时间,中微子一直活跃在物理学的理论核心,受到物理学家和天文学家的高度重视。在此期间,物理学家对中微子的研究,共获得了4次诺贝尔物理学奖。这足以证明,看上去微不足道的中微子在物理学研究中是何等重要。那么,什么是中微子?什么是宇宙线?为什么说这个成果解开了它们的一些秘密呢?

神秘的幽灵粒子

长期以来,物理学家相信,在任何物理过程中,能量都是守恒的,这就是“能量守恒定律”。但是,20世纪20年代后期,物理学家们却为一个现象所困扰:放射性物质发生β衰变的过程中,能量不守恒,有些能量似乎丢失了。

针对这个现象,有物理学家提出:在β衰变中,“能量守恒定律”必须放弃。但是,物理学家泡利却提出:在β衰变的过程中,能量依然是守恒的,只不过其中有种带着能量的粒子逃过了探测器的探测。这种粒子质量非常小,不带电,与物质的相互作用非常微弱。由于当时的技术无法探测到它们,物理家们才认为能量凭空消失了。

这个神秘的微小粒子最终被称为“中微子”。“中”,表示其不带电;“微”,表示其质量非常小。1933年,物理学家費米提出,β衰变的本质是:一个中子通过弱相互作用衰变为一个质子、一个电子与一个中微子。

从1930年泡利提出中微子的假设开始,物理学家们就努力寻找中微子,但都没有结果,因为中微子与物质的相互作用实在太微弱了,非常难捕捉。我们知道,几厘米厚的铅板就可以屏蔽X射线和伽玛射线。但是,即使是几亿千米厚的铅板,也无法屏蔽中微子。

直到1956年,科万和莱茵斯才首次观测到核反应堆里产生的“中微子”,终于证明了泡利提出的中微子假说。在科万和莱茵斯的试验中,每秒钟每平方厘米产生的中微子数目是50万亿个,但其中只有3个能与质子发生反应,产生信号,可见中微子与物质的相互作用是多么微弱。1995年,莱茵斯因为这个成就获得了诺贝尔物理学奖;科万在1974年就已逝世,因此没能获奖。

过去几十年的无数实验都证明,中微子确实是一种非常轻的粒子,比电子还轻得多,以至于长期以来人们假定中微子的静止质量为零。

中微子的来源与种类

中微子有多种来源。宇宙中第一批中微子来自极早期宇宙的“核合成”,它们被称为“背景中微子”。背景中微子的能量非常低,至今仍未被探测到。当然,除了尚未被探测到的背景中微子之外,宇宙中还有多个场所会产生中微子。比如太阳内部的核反应会释放出大量中微子;大质量恒星死亡后,内部如果产生中子星,中子星表面就会产生大量中微子;宇宙中一些光子和质子碰撞,就会产生中微子;放射性元素发生β衰变,也会产生中微子。

中国科学院高能物理研究所的中微子专家曹俊研究员列出了几个与中微子有关的数据:一个典型的核反应堆每秒钟产生6×1020个中微子,每秒钟有3×1016个太阳中微子穿过每个人的身体,在整个宇宙空间内宇宙大爆炸后残余的中微子更是多达每立方厘米330个。大多数核反应过程都会产生中微子,例如宇宙线轰击大气、岩石天然放射、超新星爆炸等等,连人都会因体内的钾-40衰变而每天产生4亿个中微子。

上文已经提到,中微子有多种起源,那么中微子有几种类型呢?过去多年的研究表明,中微子共有3类:电中微子、谬中微子、陶中微子。它们分别与电子、谬子、陶子相对应。谬子和陶子的性质与电子基本相似,但质量却比电子大得多,因此可视其为“重电子”与“超重电子”。

科学家发现,每一类中微子都被称为1个“味”,3类中微子就有3种“味”的中微子。每种中微子的味道都是不同的,就像你童年时品尝的香草、草莓和巧克力那不勒斯冰激凌一样。中微子的实际味道来自于它们与其他亚原子粒子的联系。这3个味的中微子都有对应的“反粒子”,即“反中微子”。因此,中微子有6类:电中微子,反电中微子;谬中微子,反谬中微子;陶中微子,反陶中微子。

β衰变过程中,释放的就是反电中微子。科万和莱茵斯于1956年发现的也是反电中微子。1962年,莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格用质子加速器发现了第2种“味”的中微子——谬中微子,他们因此于1988年获得了诺贝尔物理学奖。2000年,美国费米实验室首次发现了第3种“味”的中微子,即陶中微子。

理论研究表明,3种“味”的中微子会彼此转化,即振荡。3味中微子之间会产生3类振荡:电中微子-谬中微子互相振荡、谬中微子-陶中微子互相振荡、电中微子-陶中微子互相振荡。这就像三角形的3个顶点沿着3条边振动一样。

中微子探测技术

中微子与物质的相互作用非常微弱且不带电,因此不能被直接探測到。但为什么科学家们还是找到了中微子呢?这是因为,大量中微子穿过某类介质时,有极少数中微子会与介质中的粒子碰撞,使探测器中的极少一部分原子转变为其他种类的原子,或者激发出带电粒子。科学家们分离出变化的原子或者探测那些被激发出来的带电粒子,就可以间接探测到中微子。

迄今科学家们采用了5类方法来探测中微子,它们分别是:闪烁器法、放射性化学法、切伦科夫法、径迹法与集体反冲法。其中,第4类方法主要用于加速器中微子的探测,最后一类方法只适用于非常小的探测器,因此我们只介绍前3类适用于大多数中微子探测的方法。

第一类中微子探测器使用闪烁液。在这类中微子探测器中,中微子与某些原子中的质子或中子碰撞,产生新的粒子,后者产生信号。比如,科万和莱茵斯的试验中,反应堆产生的反中微子与质子碰撞,产生了中子和正电子。正电子与介质中的电子反应,湮灭为一对光子而被闪烁器捕获;中子被探测器里的氯化镉中的镉原子核捕获。中国的大亚湾中微子探测器也采用这个方法进行探测。

第二类中微子探测器使用放射性化学法。这种方法利用的原理是:中微子与原子核里的中子碰撞,产生质子和电子。这个反应使原子变为另一种原子。例如,中微子与氯-37原子中的中子反应,产生质子和电子,稳定的氯-37原子变成了放射性的氩-37原子,然后就可以用化学方法将氩-37与氯-37分离开来。1968年,戴维斯用这个方法探测到太阳中微子。

再如,中微子可以将一些镓-71转变为锗-71。但这类方法只能用来计算参与反应的中微子数目,而不能计算出中微子的能量和方向。由于戴维斯计算出的参与反应的中微子的数目比太阳聚变理论得到的数值小很多,由此引发了“太阳中微子失踪之谜”这个著名争论,有力地推动了多个领域的发展。苏联-美国镓实验(Soviet–American Gallium Experiment,缩写为SAGE)、意大利的“镓实验”(GALLEX)中微子探测器都使用镓来制造反应体。而由于镓的价格高昂,人们更倾向于使用其他便宜的材料来制造更大的同类探测器。

第三类中微子探测器使用切伦科夫法。这类探测器的原理是中微子碰撞介质(主要有纯净水、重水和冰)中的原子,产生电子或谬子。如果电子或谬子的速度超过了介质里面的光速,就会发出一种辐射。因为这是俄国物理学家切伦科夫首先提出的,所以这种辐射被称为“切伦科夫辐射”。科学家们根据中微子探测器接收到的切伦科夫辐射,就可以判断出中微子的存在并确定它们的能量等重要物理性质。著名的神冈探测器、超级神冈探测器、萨德伯里中微子天文台、“冰立方”等强大的中微子探测器都是采用这个原理来探测中微子的。

中微子与物质相互作用产生的高速粒子发出光的示意图。红色部分代表介质的分子,中微子撞击分子里的粒子,产生带电粒子,带电粒子高速运动,发出的蓝光就是切伦科夫辐射光。

这些中微子探测器有以下两个共同点:一是放置在山洞或者很深的地下矿井里,利用岩石屏蔽掉来自宇宙线所产生的干扰,过滤掉假信号。二是采用放射性化学法的探测器放在高度纯净的水中,这些纯净水可吸收岩石、大气与灰尘发出的放射性射线,过滤掉假信号。

理解中微子是了解宇宙的关键。中微子可以帮助我们识别宇宙中尚未检测到或尚未被理解的其他力量。如果我们能够搞清楚中微子的本质是什么,也许我们就可以回答一些最重要的物理问题,而弄清这些问题正是我们生存的基础。

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