奇妙的中微子：物理学家不断追寻的幽灵粒子

2019-01-15 10:08:58来源：新浪科技

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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