超有“魅力”的基本粒子，引發(fā)一樁失蹤迷案？

中微子可能是最有魅力的基本粒子了，從它被提出來(lái)為止，就不斷的刷新人類(lèi)的認(rèn)知。甚至至今還有諸多關(guān)于中微子的謎團(tuán)沒(méi)有解開(kāi)。今天我們來(lái)說(shuō)其中一個(gè)。

每時(shí)每刻都有大量的中微子從我們的身體穿過(guò)，這些中微子最大的來(lái)源是哪里呢？就是太陽(yáng)。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)爐，通俗的說(shuō)太陽(yáng)就是一個(gè)一直在爆炸的氫彈。太陽(yáng)上發(fā)生的聚變反應(yīng)每秒鐘要消耗6.2億噸的氫，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。我們可以根據(jù)太陽(yáng)的理論模型粗略計(jì)算出它大概產(chǎn)生中微子的數(shù)量，而奇怪的是，我們實(shí)際通過(guò)實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的中微子數(shù)量?jī)H僅是理論值的三分之一，這件事在當(dāng)時(shí)被稱(chēng)作“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”。

具體人們是這樣發(fā)現(xiàn)的，70年代的時(shí)候人們發(fā)現(xiàn)雖然中微子幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但是還是有東西能和中微子反應(yīng)的，就是氯37，中微子可以和氯-37發(fā)生反應(yīng)生成氬-37和電子，而氬又是惰性氣體。這件事兒給了當(dāng)時(shí)一個(gè)人靈感，這位叫做戴維斯，美國(guó)物理學(xué)家。戴維斯決定用四氯乙烯作為探測(cè)介質(zhì)，四氯乙烯是清洗劑的主要成分，一般干洗店會(huì)用這個(gè)，有刺激性甜味易揮發(fā)，濃度高了能中毒，致癌。當(dāng)時(shí)戴維斯大批量采購(gòu)四氯乙烯的時(shí)候人家還以為他要開(kāi)洗衣店呢。實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)霍姆斯特克金礦，在地下1500米深的礦井中建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，配比了600多噸四氯乙烯溶液，只要有氯變成氬了，也就有氣體生成了，就會(huì)有一個(gè)小氣泡冒出來(lái)，從而就可以證明有中微子和氯元素發(fā)生了碰撞，但還是那個(gè)原因，中微子碰撞的概率太低了。所以戴維斯在地下礦坑中一待就是30多年，這30多年也僅僅探測(cè)到了大約2000個(gè)中微子。但正是這2000個(gè)中微子的數(shù)據(jù)人們發(fā)現(xiàn)了“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”，實(shí)在是不容易。

還有一位來(lái)自日本的物理學(xué)家叫做小柴昌俊，他是在日本的一個(gè)1000米深的礦坑里做的實(shí)驗(yàn)，使用了5萬(wàn)噸純水和1萬(wàn)多個(gè)光電倍增管，當(dāng)中微子和純水里的原子核發(fā)生碰撞的時(shí)候，就會(huì)發(fā)出淡藍(lán)色的光輝，這個(gè)現(xiàn)象叫做切連科夫輻射。然后用探測(cè)器來(lái)檢測(cè)這個(gè)微弱的藍(lán)光，只要檢測(cè)到了，就說(shuō)明有中微子發(fā)生了碰撞。這個(gè)概率依舊很低，但小柴昌俊比戴維斯要幸運(yùn)很多，他的實(shí)驗(yàn)是在1986年底正式開(kāi)始的，到了1987年初1987年2月24日，發(fā)生了一件事，大麥哲倫云中的一顆超新星爆發(fā)了，這是自1604年開(kāi)普勒超新星以來(lái)觀測(cè)到的最亮的一次超新星爆發(fā)，帶來(lái)的電磁輻射甚至能夠照亮整個(gè)星系，一般都會(huì)持續(xù)幾周或者幾個(gè)月。1987年的這顆超新星被很多天文學(xué)家觀測(cè)到了，這就是小柴昌俊的幸運(yùn)，那天他突然發(fā)現(xiàn)自己的神岡實(shí)驗(yàn)室里探測(cè)到了大批量中微子，說(shuō)是大批量其實(shí)就13個(gè)，但是比平時(shí)偶爾的一兩個(gè)多了好多倍！感覺(jué)就不對(duì)，果不其然，過(guò)了三個(gè)小時(shí)有人來(lái)電話說(shuō)是大麥哲倫云的一顆超新星爆發(fā)了。這種感覺(jué)絕對(duì)是無(wú)比奇妙的，這顆超新星距離我們16.8萬(wàn)光年，也就是說(shuō)小柴昌俊探測(cè)到了至少來(lái)自16.8萬(wàn)年以前產(chǎn)生的中微子！

2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)決定把本年的諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給戴維斯和小柴昌俊，02年戴維斯已經(jīng)88歲了，而小柴昌俊也已經(jīng)76歲了。根據(jù)這二位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，都證實(shí)了“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”，也就是來(lái)自太陽(yáng)的中微子莫名其妙的少了三分之二，他們?nèi)ツ牧四?？這個(gè)問(wèn)題的答案直到近幾年才給出，人們發(fā)現(xiàn)中微子不只一種，有三種，分別是電子中微子、繆子中微子以及陶子中微子。戴維斯和小柴在實(shí)驗(yàn)中所探測(cè)到的只是電子中微子，自然就少了三分之二。而且這三種中微子還可以隨著時(shí)間相互轉(zhuǎn)化，這個(gè)過(guò)程叫做中微子振蕩。如果中微子能夠發(fā)生振蕩那它就必須得有靜質(zhì)量，所以近年來(lái)很多物理學(xué)家都在研究這個(gè)課題。最先通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了中微子振蕩的人就是小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)就是當(dāng)年小柴昌俊所使用的神岡實(shí)驗(yàn)室。另外一位物理學(xué)家是加拿大的阿瑟·麥克唐納，他和梶田隆章二人因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，因此證明了中微子具有質(zhì)量，共同獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前最先進(jìn)的中微子觀測(cè)站位于南極的冰層之下， 叫做冰立方IceCube，于2010年12月8日建造完成，2018年7月12日，冰立方中微子天文臺(tái)宣布第一次成功確認(rèn)高能宇宙中微子的來(lái)源，人類(lèi)探測(cè)到了一個(gè)來(lái)自37億光年之外發(fā)射過(guò)來(lái)的中微子。這也是人類(lèi)歷史上第一次使用中微子探測(cè)器來(lái)定位太空中的物體。

然而關(guān)于中微子還有眾多謎團(tuán)沒(méi)有解開(kāi)，比如說(shuō)有沒(méi)有第四種中微子？中微子的反粒子是其本身嗎？也就是中微子是馬約拉納粒子嗎？中微子是暗物質(zhì)嗎？等等。這些謎團(tuán)就需要我們慢慢等待答案了。

作者：媽咪說(shuō) 科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

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