中微子到底是真是假

【專家解說(shuō)】：性質(zhì) 　　粒子間的各種弱相互作用會(huì)產(chǎn)生中微子，而弱相互作用速度緩慢正是造就了恒星體內(nèi)“質(zhì)子-質(zhì)子”反應(yīng)的主要障礙，這也解釋了為什么中微子能輕易的穿過(guò)普通物質(zhì)而不發(fā)生反應(yīng)。太陽(yáng)體內(nèi)有弱相互作用參與的核反應(yīng)每秒會(huì)產(chǎn)生10的38次方個(gè)中微子，暢通無(wú)阻的從太陽(yáng)流向太空。每秒鐘會(huì)有1000萬(wàn)億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體，甚至在夜晚，太陽(yáng)位于地球另一邊時(shí)也一樣。 探測(cè) 　　由于中微子與其他物質(zhì)的相互作用極小，中微子的探測(cè)器必須夠大，以求能觀測(cè)到足夠數(shù)量的中微子。為了屏蔽宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測(cè)儀器時(shí)常設(shè)立在地底下。 速度 　　在“中微子震蕩”這個(gè)概念出現(xiàn)以前，根據(jù)狹義相對(duì)論而建立的中微子標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子的質(zhì)量應(yīng)為零，并應(yīng)該以光速行進(jìn)。然而，近年的研究似乎開始對(duì)“中微子的質(zhì)量是零”這個(gè)假設(shè)開始動(dòng)搖，亦因此開始有人質(zhì)疑中微子是否能夠以光速行進(jìn)。 　　科學(xué)家首次對(duì)中微子的速度進(jìn)行偵測(cè)在1980年代早期，當(dāng)時(shí)科學(xué)家透過(guò)從脈沖質(zhì)子束射擊而產(chǎn)生的脈沖π介子束來(lái)測(cè)量中微子的速度。當(dāng)帶電的π介子衰變，就會(huì)產(chǎn)生渺子及中微子或電子中微子。透過(guò)檢測(cè)中微子出現(xiàn)的時(shí)間，就可測(cè)量出中微子的速度。結(jié)果顯示中微子的速度是光速與假設(shè)相符。后來(lái)當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)在其他地方重復(fù)時(shí)，測(cè)量中微子的方法改用了MINOS偵測(cè)器，測(cè)出了一顆能量為3 GeV的中微子的速度達(dá)1.000051(29) c。由于這個(gè)速度的中間值比光速還要快，科學(xué)家當(dāng)時(shí)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的不確定性太大，而實(shí)際上中微子的速度應(yīng)該不可能超過(guò)光速。這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)定了50 MeV的渺中微子的質(zhì)量上限，可靠率為99%。 　　超新星SN 1987A同樣的觀測(cè)不單在地球上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天文學(xué)家觀測(cè)超新星SN 1987A的中微子爆發(fā)時(shí)，世界各地有三臺(tái)中微子偵測(cè)器各自探測(cè)到5到11個(gè)中微子。有趣的是：這些偵測(cè)器是在SN 1987A爆發(fā)的光線來(lái)到地球之前3小時(shí)偵測(cè)到的。對(duì)于這個(gè)現(xiàn)像，當(dāng)時(shí)科學(xué)家把它解說(shuō)為因?yàn)椤爸形⒆佑诔滦潜l(fā)時(shí)比可見光更早被發(fā)射出來(lái)，而不是中微子比光速快”，而這個(gè)速度亦與光速接近。然而，對(duì)于擁有更高能量的中微子是否仍然符合標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展仍然有爭(zhēng)議，當(dāng)中微子違反了洛倫茲不變性而發(fā)生震蕩，其速度有可能會(huì)比光速還要快。超新星SN 1987A 2011年9月，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室旗下的OPERA實(shí)驗(yàn)室宣布觀測(cè)結(jié)果，并刊登于英國(guó)《自然》雜志。研究人員發(fā)現(xiàn)，中微子的移動(dòng)速度比光速還快。根據(jù)這項(xiàng)對(duì)渺中微子的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均能級(jí)達(dá)到17 GeV的渺中微子從CERN走到LNGS，所需的時(shí)間比光子在真空移動(dòng)的速度還要快 60.7 納秒，即以光速的 1.0000248 倍運(yùn)行，是實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差10納秒的六倍，“比光速快6公里”，證實(shí)了這個(gè)假設(shè)。 編輯本段中微子天文學(xué) 　　中微子天文學(xué)天體物理學(xué)的一個(gè)分支﹐主要研究恒星上可能發(fā)生的中微子過(guò)程以及這些過(guò)程對(duì)恒星的結(jié)構(gòu)和演化的作用。中微子是一種不帶電﹑靜止質(zhì)量為零的基本粒子。早在研究原子核的β衰變時(shí)就從理論上預(yù)見到中微子的存在﹐但直到1956年才在實(shí)驗(yàn)中觀察到。中微子和一般物質(zhì)的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情況外，在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的中微子能夠不受阻礙地跑出恒星表面﹐因此﹐對(duì)恒星發(fā)射的中微子進(jìn)行探測(cè)﹐可以獲得有關(guān)恒星內(nèi)部的信息。 太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn) 　　太陽(yáng)每秒放出的總輻射能為 3.86×10爾格。其中絕大部分的能量由質(zhì)子－質(zhì)子反應(yīng)產(chǎn)生﹐很小一部分由碳氮循環(huán)產(chǎn)生。這些反應(yīng)中有許多分支反應(yīng)過(guò)程是產(chǎn)生中微子的﹐中微子在地球表面處的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本領(lǐng)﹐一般很難測(cè)量。美國(guó)布魯克黑文實(shí)驗(yàn)室的戴維斯等人在深礦井中進(jìn)行了太陽(yáng)中微子的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中用大體積的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘獲中微子的反應(yīng)﹕+Cl→e +Ar﹐來(lái)探測(cè)太陽(yáng)中微子。從1955年以來(lái)﹐他們所得的結(jié)果是﹕ 產(chǎn)生中微子的過(guò)程 　　在恒星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恒星演化的晚期﹐中微子的作用就變得重要了。這時(shí)﹐產(chǎn)生中微子的過(guò)程主要有以下幾種： 　　第一種是尤卡過(guò)程。其反應(yīng)為： 　　(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐ 　　e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。 　　尤卡過(guò)程的總效果﹐是將電子的動(dòng)能不斷地轉(zhuǎn)化為中微子對(duì)而放出。式中Z 為原子序數(shù)(質(zhì)子數(shù))﹐A 為質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))﹐e 為電子﹐為電子中微子﹐為反電子中微子。 　　第二種是中微子軔致輻射。隆捷科沃于1959年首先進(jìn)行研究。電子與原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以發(fā)射中微子對(duì)﹐其反應(yīng)為： 　　e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。 　　第三種是光生中微子過(guò)程。丘宏義和斯塔貝爾曾在1961年首先進(jìn)行研究。γ光子與電子碰撞﹐可以發(fā)射中微子對(duì)﹐其反應(yīng)為： 　　γ+e →e ++。 　　第四種是電子對(duì)湮沒中微子過(guò)程。丘宏義和莫里森于1960年首先進(jìn)行研究。正﹑負(fù)電子對(duì)湮沒為中微子對(duì)﹐其反應(yīng)為： 　　e +e →+。 　　式中e 為正電子。 　　第五種是等離子體激元衰變中微子過(guò)程。J.B.亞當(dāng)斯等人于1963年進(jìn)行研究。等離子體激元可以按如下的反應(yīng)衰變?yōu)橹形⒆訉?duì)： 　　→+。 　　第二﹑三﹑四﹑五種過(guò)程是根據(jù)1958年范曼和格爾曼提出的普適弱相互作用導(dǎo)出的。弱電統(tǒng)一理論提出后﹐又出現(xiàn)了許多新的中微子過(guò)程﹐例如上述第三﹑四﹑五種過(guò)程右方的+都可推廣為+﹐+等。 中微子的作用 　　在恒星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕發(fā)射中微子﹐帶走了大量的能量﹐加快了恒星演化的進(jìn)程和縮短了恒星演化的時(shí)標(biāo)﹔對(duì)超新星爆發(fā)和中子星形成可能起關(guān)鍵作用。例如﹐有一種看法認(rèn)為﹕在一個(gè)高度演化的恒星內(nèi)部﹐通過(guò)逐級(jí)熱核反應(yīng)﹐一直進(jìn)行到合成鐵。進(jìn)一步的引力坍縮，將使恒星核心部分產(chǎn)生強(qiáng)烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相干性﹐鐵原子核對(duì)中微子有較大的散射截面。因此﹐強(qiáng)大的中微子束會(huì)對(duì)富含鐵原子核的外殼產(chǎn)生足夠大的壓力﹐將外殼吹散而形成猛烈的超新星爆發(fā)。被吹散的外殼形成星云狀的超新星遺跡﹐中子化的核心留下來(lái)形成中子星。 　　恒星離我們十分遙遠(yuǎn)﹐以目前的探測(cè)技術(shù)還無(wú)法接收到它們發(fā)射的中微子流。只在超新星爆發(fā)使中微子發(fā)射劇增時(shí)﹐才有可能探測(cè)到。除了恒星以外﹐在類星體﹑激擾星系以及宇宙學(xué)研究對(duì)象中﹐也存在許多有關(guān)中微子過(guò)程的問題。 中微子實(shí)驗(yàn) 　　中微子是當(dāng)前粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理的交叉前沿學(xué)科，本身性質(zhì)也有大量謎團(tuán)尚未解開。在這一領(lǐng)域，大部分成績(jī)均為日本和美國(guó)取得。1942年，中國(guó)科學(xué)家王淦昌提出利用軌道電子俘獲檢測(cè)中微子的可行方案，美國(guó)人艾倫成功地用這種方法證明了中微子的存在。80年代，中國(guó)原子能科學(xué)研究院進(jìn)行了中微子靜止質(zhì)量的測(cè)量，證明電子反中微子的靜止質(zhì)量在30電子伏特以下。 　　中微子振蕩研究的下一步發(fā)展，首先必須利用核反應(yīng)堆精確測(cè)量中微子混合角theta13。位于中國(guó)深圳的大亞灣核電站具有得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，是世界上進(jìn)行這一測(cè)量的最佳地點(diǎn)。由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)于2006年正式啟動(dòng)，聯(lián)合了國(guó)內(nèi)十多家研究所和大學(xué)，美國(guó)十多家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)，以及中國(guó)香港、中國(guó)臺(tái)灣、俄羅斯、捷克的研究機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)總投資約3億元人民幣，預(yù)期2010年建成。它的建成運(yùn)行將使中國(guó)在中微子研究中占據(jù)重要的國(guó)際地位。 　　中微子具有質(zhì)量，這是很早就提出過(guò)的物理概念。但是人類對(duì)于中微子的性質(zhì)的研究還是非常有限的。我們至今不是非常確定地知道：幾種中微子是同一種實(shí)物粒子的不同表現(xiàn)，還是不同性質(zhì)的幾種物質(zhì)粒子，或者是同一種粒子組成的差別相當(dāng)微小的具有不同質(zhì)量的粒子。隨著人類認(rèn)識(shí)的深化，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中微子之謎終究是會(huì)被攻破的。 　　歐洲核子研究中心23日宣布，他們發(fā)現(xiàn)一些粒子可能以快于光速的速度飛行，一旦這一發(fā)現(xiàn)被驗(yàn)證為真，將顛覆支撐現(xiàn)代物理學(xué)的愛因斯坦相對(duì)論?？蒲腥藛T在讓中微子進(jìn)行近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其到達(dá)時(shí)間比預(yù)計(jì)的早了60納秒（1納秒等于十億分之一秒），對(duì)此，研究者認(rèn)為，這可能意味著這些中微子是以比光速快60納秒的速度運(yùn)行。 　　此次研究的中微子束源自位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心，接收方則是意大利羅馬附近的意大利國(guó)立核物理研究所。粒子束的發(fā)射方和接收方之間有著730公里的距離，研究者讓粒子束以近光速運(yùn)行，并通過(guò)其最后運(yùn)行的時(shí)間和距離來(lái)判斷中微子的速度。中微子束在兩地之間的地下管道中穿梭。 　　但物理學(xué)家們認(rèn)為，一旦這些粒子確實(shí)被證實(shí)跑過(guò)了光速，將徹底改變?nèi)祟悓?duì)整個(gè)宇宙存在的看法，甚至改變?nèi)祟惔嬖诘哪Ｊ?。有分析人士認(rèn)為，可能宇宙中的確還存在其他未知維度，中微子抄了其他維度的“近路”，才“跑”得比光快。現(xiàn)在此結(jié)論還有待進(jìn)一步證實(shí)。