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天问专栏:撼动宇宙的小粒子——中微子

2018-03-13 09:2594677奇闻网
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太阳不只赋予我们光,还发射了无数中微子,穿过我们的身体。图片来源:NASA

导读:

来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落,而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”,去给宇宙中微子们“称重”。

天问专栏第十六期,带你走进中微子称重现场。

撰文 | 刘 佳 (普林斯顿大学)

责编 | 吕浩然

知识分子为更好的智趣生活ID:The-Intellectual

一个静谧的午后,我正试图向妈妈解释什么是中微子。

“如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”

“700亿?!”听到这个数字,妈妈吓了一跳,赶紧把手揣回口袋。

可事实却是,妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用:一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒,“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦!”

“不过不用担心,”我告诉妈妈,“中微子是无害的。”

然而,这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

消失的能量——中微子的发现

我们目前知道的有四种力:引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部,所以我们平时都感受不到。除了引力,中微子只参与弱力(比强力弱非常非常多),它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙,也不撞上任何其它粒子!

也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应,很长一段时间,我们都不知道它的存在。

1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子(n p e)的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!

这是怎么回事?物理学家们开始怀疑物理定律,觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日,在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利(Wolfgang E.Pauli,1900 - 1958)让朋友在会上宣读了一封他的信,建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说,中子衰变后,除了质子和电子,还有第三个粒子被制造出来。

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