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帖子主题:科學家為何偏愛中微子

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科學家為何偏愛中微子

中微子,這個曾在2011年的“超光速”事件中一度街知巷聞的粒子物理學名詞,最近又再次掀起了波瀾。

科學家為何偏愛中微子

先是去年11月,位於南極的“冰立方”中微子天文台首次確定探測到了來自於太陽系外的深空中微子﹔而后是今年的2月11日,一組英國科學家對中微子的質量提出了新的見解,認為中微子比先前認知的要重得多。

此外,還有更多的科學家在躍躍欲試,更多的實驗設施和探測設備在建設當中,美國費米實驗室計劃建造長基中微子實驗設施,產生世界上強度最高的中微子束﹔中國科學院擬投資約20億元人民幣,在廣東開平建造世界規模最大的中微子實驗室。自從“上帝粒子”被發現、兩名預言者被授予諾貝爾獎后,中微子似乎成了科學家最想深入了解的粒子。它到底有何奇妙之處,科學家為何如此偏愛?

中微子是什麼?

中微子是一種詭異且孤僻的基本粒子,廣泛存在於自然界當中。它不帶電,質量極小,幾乎不與周圍的物質世界發生相互作用,可謂是一個無所不在、又不可捉摸的過客。

它從何而來?

中微子產生的途徑有很多,如恆星內部的熱核反應、宇宙射線與地球大氣層的碰撞、地球上岩石等各種物質的衰變以及宇宙中的超新星爆發等。太陽內部的核反應每秒鐘就能產生10的38次方個中微子。

有什麼了不起的?

如果要給中微子起一個綽號的話,“最熟悉的陌生人”或許比較合適。因為它是目前地球上最常見、又最不為人所知的一種基本粒子,在物理學標准模型中根本無法對其性質、特征、作用作出解釋。

這個獨行俠身懷絕技:能輕鬆穿透人體、岩石、山脈乃至整個行星,在宇宙中、星系間任意馳騁。

這個獨行俠與世無爭:它不戀紅塵、不問世事,所到之處幾乎不留痕跡,來無影去無蹤,能穿過一光年厚的鉛塊而不驚擾任何原子。

科學家是怎麼找到它的?

雖然中微子行蹤詭秘,但常在河邊走哪有不濕鞋,偶爾還是會有一些中微子會與原子發生碰撞,產生人們可以觀察到的信號。為了及時看到這一瞬間,科學家運用大量的水或油並在其中放置大量的傳感器,制成一張特殊的網。這張網雖然無法“網住”中微子,但能捕捉到它們與原子碰撞時所發出的微弱閃光。根據這些漣漪般痕跡,科學家可以推測出它們的能量強度,以及從哪裡來、到哪裡去等信息。1930年,奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設。1956年,美國科學家弗雷德裡克·萊因斯首次檢測到中微子,並因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。

在哪裡能“看到”中微子?

追蹤中微子絕不是一件輕鬆的事情,需要有足夠多的經費、足夠大的空間,建設足夠大的探測器。另外還需要足夠多的時間和足夠多的耐心,因為那美若煙花般的碰撞瞬間完全是隨機發生的。現在,科學家們已經看到許多中微子,它們有的來自肉眼不可見的亞原子世界,有的來自浩瀚的宇宙空間。

為屏蔽來自太空的各種射線和其他背景輻射,中微子探測器一般會選擇建造在地底或海底深處。即將開建的中國開平中微子實驗室及其主要運轉部件——中微子探測器將被埋藏在深達700米的地下洞室裡。其中,中微子探測器佔地直徑達50米、高80米,被建在一個大水池中。

除此之外,目前國外正在運行的較大的中微子探測器有位於南極冰面下的“冰立方”探測器、地中海海底的“心宿二”中微子望遠鏡、日本的超級神岡探測器、意大利的格蘭薩索國家實驗室和加拿大薩德伯裡中微子觀測站。其中一類用來探測自然產生的中微子,一類用來探測核反應堆和加速器產生的中微子。

中微子是什麼“味”的?

在對中微子的研究中,科學家們發現中微子總是偏愛和電子、μ子和τ子中的某一種一起被發射和吸收,就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此,科學家們按不同“味道”將中微子分成了電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

而后科學家又發現,在飛行中,中微子會發生“變味”——從一種類型轉變成另一種類型,這個過程被稱為“中微子振蕩”。

到底有多重?

起初,中微子被認為是沒有質量的。但后來的研究發現這解釋不通,中微子一定是有質量的。但對中微子質量的測量是一件極其復雜的事情,不得不超出現有的標准模型。由於中微子振蕩現象,中微子總處於不斷變換之中,它們不具備固定的質量,科學家隻能計算出量子混合狀態中三種中微子質量的總和。目前最新的數據是,3種類型中微子的總質量應為0.320±0.081電子伏特。

速度有多快?

想必絕大多數人都知道3年前的“中微子超光速”是一次烏龍,那麼中微子的速度到底有多快?目前的結論仍然是:與光速接近,但並沒有超過光速。當然你也可以將其理解為亞光速。

研究中微子有什麼用?

對科學家而言,中微子是破譯宇宙起源與演化密碼最重要的“鑰匙”,使得我們能夠探索某些非常基本的問題,如宇宙整體的質量、為什麼世界是由物質而不是反物質組成的等等。

現存的天文學隻能讓我們看到宇宙大爆炸后38萬年的情形,而中微子天文學則能讓我們一窺宇宙出生后數秒的奇妙景象。

總之,深入了解中微子的性質既是認識微觀世界的需要,也是認識宏觀世界的需要,它能為人類打開一扇新的大門。

有實用點的嗎?

讓人最有想象空間的一項應用是中微子通訊。一些科學家設想未來可以開發出一套以中微子為基礎的通訊系統,無需線纜和電磁波,也無需任何衛星中繼,信息可以輕鬆穿越海洋、高山,甚至是遙遠的外太空,屆時地球上任意兩點的直接通訊和高效率的星際聯絡都將成為可能。有人甚至認為中微子通訊還能幫助我們與外星人取得聯系。

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      0
      2014/11/24 8:43:07

      网友回复

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      除了通讯好像还可以探测。

      2014/12/12 12:43:12
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      中微子通信是太空星际旅行的必须设备,中微子通信没有死角,全传信息资料更优,应及早开发为人类服务

      2014/12/12 11:20:03
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      中微子之所以现在成为实验热点是因为在粒子物理最小标准模型中,中微子(更准确地说是左手中微子)是被认为是无质量的,但是实验上发现了中微子振荡现象,也就是三种味道的中微子其实是有互相转换的(如果你懂得基本的量子力学就知道这样一件事,那就是量子态可以是一系列态的叠加,如果你懂这个基本事实,那中微子振荡其实就是把物理上看到的中微子---具有一定质量的中微子用另一组量子数也就是味道的本征态展开) 这种振荡有一些潜在用途

      理论上问题主要包括中微子质量起源,标准模型扩展等.

      2014/12/5 12:36:05
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      2楼 和平伴侣
      看来“中微子通信”还是没有“量子通信”来的更科幻!
      意念通信才是科幻之主。

      2014/12/1 22:43:08
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      某人某日宣布:经过艰苦的研发,偶发明了一种可以溶解任何物质的液体!

      2014/11/26 4:16:52
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      看来“中微子通信”还是没有“量子通信”来的更科幻!

      2014/11/24 14:31:47

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