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THE NOBEL PRIZE FOR PHYSICS 2015中微子振荡:诺贝尔物理学奖获奖研究

上一篇 作者: 来源: [883期 A16] 更新日期:2016-04-12 下一篇

目前人类还无法探测中微子的确切质量,但已经确定三种中微子的质量之和小于电子质量的百万分之一。它可以以接近光速穿透我们日常生活中的一切物质,人体对于它来说就是“透明的”,指甲这么大的面积上,每秒有超过千亿的中微子穿过。不过不要怕,它对人体没有任何影响。

可以说,我们生活在中微子的世界中,只是你感觉不到它们。那这些中微子从哪来?宇宙大爆炸,超新星爆炸,像太阳一样的恒星中的核反应,以及核电厂的核反应,或者宇宙射线与地球大气的反应都会产生中微子。

耐人寻味的中微子

中微子由澳大利亚科学家沃尔夫冈· 泡利(-1945年诺贝尔奖获得者)于20世纪20年代预言。不久,意大利科学家恩里科· 费米(-1938年诺贝尔奖获得者)完善了关于中微子的理论,直到50年代,美国科学家弗雷德里克·莱因斯才探测到中微子,确认它的存在。60年代,理论物理学家计算出了太阳核反应会产生中微子,这是三种中微子的其中一种。但是实际探测中,却只探测到了预测结果三分之一的中微子。那剩下的中微子去哪了?难道是他们算错了?

现今科学界对这个谜题的一种解释就是,它在传播时会不断地在几个状态之间转换,这种转换在传播距离上呈现周期性变化,这种现象被称为中微子振荡。理论预测的这种中微子变成了其它的状态,所以实际测量到的这种中微子会比预计的少。所以有比喻说中微子是“空间上的变色龙”。有人用更形象的比喻说,中微子就像灰姑娘故事中的马车。马车原本是南瓜,到了王子的舞会前变成了马车,回去后又变成了南瓜。因为这种粒子之间的相互转化只有在其具有质量的情况下才可能发生,所以这是中微子有质量的证据。

领导中微子探测的获奖者

两位获奖者梶田隆章和阿瑟· 麦克唐纳,都是通过实验确认了中微子的振荡现象的存在。他们的实验,日本的超级神冈中微子探测器(Super-Kamiokande)主要捕获大气中微子,加拿大的萨德伯里中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)主要是捕获太阳中微子.

中微子的性质使得它特别难以探测,它们很难与其它物质相互作用,几乎可以穿透一切物质,继续传播。而它们又无处不在,有很多产生的来源,探测过程中很难区分不同的信号来源。所以一般探测装置都建在地下深处,以减少宇宙背景辐射及其它辐射的干扰。位于日本东京西北方向的一个-1000米深的锡矿中的超级神冈中微子探测器从1996年开始运行;而位于加拿大安大略省的一个镍矿中萨德伯里中微子观测站从1999年开始观测。 超级神冈中微子探测器中,主要探测来自两个方向的一种中微子,一个方向是自地球表面指向地心,另一个方向则是自相反方向离开地心。通过中微子与反应装置中的物质反应可分别测定来自两个相反方向的同一种中微子数量。因为地球表面各个方向接收到大气层散射的中微子信号是近似相同的,所以这两个方向接收到的中微子的传播距离差就约为地球直径。通过证明这两种信号的这种中微子数量不同,来证明了中微子在这地球直径长度的传播过程中,在几种不同状态之间转换,也就确认了中微子振荡。

与之不同的是,萨德伯里中微子观测站探测到的则是三种中微子的数量的总和以及太阳发出的另一种中微子的数量。这种中微子是电子中微子,理论上讲,这是唯一会从太阳核反应发出的中微子。如果测量的太阳中微子的信号中,电子中微子少于中微子总数,就可以证明其中

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