中微子出了许多诺奖,还有一个等待探索:它与电磁力相互作用吗


中微子出了许多诺奖,还有一个等待探索:它与电磁力相互作用吗


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中微子出了许多诺奖,还有一个等待探索:它与电磁力相互作用吗


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1900年代初期 , 物理学家们对放射性衰变有了初步的认识 。 他们发现 , 当一个原子发生β衰变时 , 原子核中的一个中子就会变成质子 , 同时放出一个电子 。 但是 , 物理学家们发现 , 衰变前后的能量并不守恒 , 有一部分能量神秘消失 。 当时 , 许多物理学家都认为能量守恒可能不存在 。 但在1930年的时候 , 泡利提出了一个解决方案 , 衰变后产生了一种未知的粒子带走了能量 , 而这种假设的粒子也被称为中微子 。

由于中微子质量很小 , 比电子还要轻数十万倍 , 并且基本上不与物质相互作用 , 所以探测中微子是非常困难的 。 当时泡利提出这个假设之后 , 他也担心人们能不能真正探测到中微子 。 但是在1953年的时候 , 物理学家柯万和莱因斯设计了一种液体装置 , 并把它放置在核反应堆附近 , 首次探测到了中微子的存在 , 莱因斯也在1995年获得了诺贝尔物理学奖 。
三味中微子物理学家认为 , 不只存在一种类型的中微子 , 因为如果是这样的话 , 它会发生一种特殊的衰变 , 我们应该能观察到 , 但事实却没有 。 当电子中微子与物质发生相互作用时会产生电子 , 我们就知道电子中微子的存在 。 此外 , 电子还有两个重要的表亲:μ子和τ子 。 在1960年代 , 有三位物理学家建立了一个实验 , 将一束中微子射向探测器 , 如果产生了μ子 , 则证明存在第二种类型的中微子 。 实验结果如他们所愿 , 他们发现了μ子中微子 , 并获得了1988的诺贝尔物理学奖 。
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μ子中微子的发现 , 给了物理学家很大的鼓舞 , 他们继续探寻是否存在τ中微子 。 由于τ中微子能量更高 , 需要更强大的加速器 , 因此它的发现会比前两者来得更晚 。 1997年 , 费米实验室才开始研究这个问题 , 在三年数百万次的碰撞中 , 他们终于在2000年有足够的数据宣布发现τ中微子 。
中微子振荡在1960年代 , 物理学家对太阳中的核聚变已经较为了解 , 他们建立了一个模型来预测太阳核聚变中放出的中微子 。 在1964年的时候 , 物理学家戴维斯在地下深处建设了一个巨大的探测器 , 并倒入了十万加仑的四氯乙烯 。 来自太阳的中微子会撞击这些氯原子 , 使它转变成原子 。 根据计算 , 每周应该会产生10个氩原子 。 但是 , 实验结果与预测不符 , 每周只检测到了3个氩原子 , 这就是著名的太阳中微子失踪之谜 。

差不多在同时期还有一个实验 , 测量的是中微子的另一个天然来源:宇宙射线 。 宇宙射线撞击大气中的原子核 , 由此发生的衰变会产生大气中微子 。 根据理论计算 , 电子中微子与μ子中微子的比例应为1:2 , 但实验观测到的却是1:1 。
事实上 , 这两个问题在1950年代就有理论基础 , 物理学家布鲁诺·庞特科尔沃假设中微子风味之间会互相振荡 。 1998年日本的Super-K中微子探测器以及后来的加拿大SNO实验 , 首次证实了中微子振荡 。 所以 , 上述两个实验的中微子不是消失了 , 而是变成了其他类型的中微子 , 雷蒙德·戴斯和小柴昌俊也因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖 。 中微子的振荡也表明 , 中微子具有静止质量 , 这与标准模型预测的无质量相悖 , 目前我们还不知道中微子获得质量的机制 。
中微子与电磁场相互作用?一般认为 , 中微子只通过弱力与物体相互作用(中微子质量小 , 引力忽略不计) , 并且弱力的作用范围非常短 , 所以中微子基本不与物质发生相互作用 。 这样一来 , 来自太阳的中微子就应该是一个常量 , 不会呈现周期性变化 。
然而 , 斯坦福大学的物理学家Peter Sturrock对太阳中微子流量研究10年后发现 , 它的流量存在微弱的变化 。 太阳中微子流量存在多个周期性 , 其中最主要的周期与太阳自转周期相同 , 这可能是中微子与磁场存在相互作用的证据 。 此外 , 还有一个与自转周期相接近的周期 , 推测可能是中微子相互作用的地方发生在太阳的速度剪切层 , 而这个区域正是被普遍认为是太阳磁场的发生地 。

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