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拿下诺贝尔奖的中微子震荡是什么

2019-01-12 14:32:52

拿下诺贝尔奖的中微子震荡是什么?

北京时间10月6日消息,瑞典皇家科学院刚刚宣布,日本科学家梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大科学家阿瑟-麦克唐纳(Donald)因为发现中微子震荡而获得2015年度诺贝尔物理学奖。

今年的诺贝尔物理学奖获奖人解决了中微子之谜,从而开启了粒子物理学研究的崭新篇章。物理学家梶田隆章以及阿瑟-麦克唐纳(Donald)分别来自两个大型研究团队:超级神冈探测器团队以及萨德伯里微中子观测站,他们发现了中微子在飞行过程中的转变现象。

搜寻正在进行在地下深处,巨大的研究设施中数以千计的探测器正等待着时机,以揭开中微子的谜团。1998年,梶田隆章首先发现中微子似乎存在转变现象,在它们抵达日本超级神冈探测器的过程中,中微子的形式似乎发生了改变。这一探测设施所捕捉到的中微子是宇宙射线与地球大气层相互作用所产生的。

与此同时,在地球的另一端,加拿大萨德伯里微中子观测站的科学家们正在开展对来自太阳的中微子的研究工作。2001年,由阿瑟-麦克唐纳率领的研究组首次证明这些中微子同样存在类似的转变现象。

于是这两项实验的结果导致了一种新现象的发现中微子震荡。而更进一步的意义还在于,曾经长期被认为是没有质量的中微子其实是有质量的。这不管是对于粒子物理学还是对于我们理解宇宙的本质都具有极重要的意义。

我们生活在一个中微子的世界里。每一秒都有数以万亿计的中微子通过你的身体。但你看不到它们,也感受不到它们的存在。中微子几乎以光速在宇宙中传播,几乎不与物质发生相互作用。那么它们究竟来自何方?

其中一些中微子是在宇宙大爆炸中产生的,其他则产生于空间或地球上的各种不同过程之中从恒星衰亡时的超新星爆发,到核电站内的反应堆,以及自然发生的放射性衰变过程等等。甚至在我们的身体内部,平均每秒也有超过5000个中微子在钾的同位素衰变过程中被产生出来。在抵达地球的中微子中,大部分都源自太阳内部的核反应过程。在整个宇宙中,中微子的数量仅次于光子,是宇宙中数量最多的粒子之一。

然而,长期以来科学家们甚至都无法确认中微子是否真的存在。事实上,当中微子的概念最早由物理学家沃尔夫冈泡利(AustrianWolfgangPauli)提出来时(泡利是1945年诺贝尔奖获得者),他的主要目的是想为由于衰变过程中似乎表现出来的能量不守恒现象而感到绝望的物理学家们找到一个解释。衰变是原子核衰变的一种形式。在1930年12月,泡利以亲爱的(从事)放射性(研究的)女士们和先生们开头,致信给他的物理学同行

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。在这封信中,泡利提出,衰变过程中的一部分能量可能是被一种具有电中性,弱相互作用且质量极小的粒子所带走了。但甚至是泡利本人也几乎不相信这样一种粒子是真实存在的。据说他曾经说过这样的话:我做了一件糟糕的事情,我提出了一种不可能被探测到的粒子。

不久之后,意大利物理学家费米(EnricoFermi,1938年诺贝尔物理学奖获得者)提出了一种优雅的理论,并且其能够将泡利所提出的这种质量极小且具有电中性的粒子也包含在内。这种粒子被称作中微子。没有人会想到,这种小小的粒子将引发粒子物理学乃至宇宙学的革命。

但人们还需要等待大约1/4个世纪才能真正等来中微子被真正发现的日子。机会出现在1950年代,当时由于核电站的建设,大量中微子从中产生。在1956年6月份,两名美国物理学家弗雷德里克莱因斯(FrederickReines,1995年诺贝尔奖获得者)以及克莱德科温(ClydeCowan)给泡利发去一封电报中微子在他们的探测器中留下了踪迹。这一发现证明这种鬼魅般的粒子是真实存在的。

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