人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?
2020年01月10日 01:18 新浪网 作者 士值品牌馆丨育儿

2019年的诺贝尔奖公布时,

天文在线

从过去的诺贝尔奖中挑选出他们最喜欢的一个奖项。Tushna委员会在这件事中有所争论,在他们看来,2015年表明中微子拥有质量的诺贝尔奖项——中微子振荡发现奖,才是应该被挑选出来的那一个。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

斯诺地球仪:全盛时期的萨伯德里微中子观测站(图源:斯诺)我一直都对中微子很着迷,那些调皮的基本粒子们充满着整个宇宙(你可能只是曾经听过它,但每两秒就约有65亿的中微子从一个如指甲盖般小的空间里穿过)但是,因为是电中性粒子并且只和那些通过重力或者弱力的物质起相互作用,它们很难被人们所发现。一开始,中微子在89年前被沃尔夫冈·保利预测作“绝望的补救”,补救着不断上升的贝塔数据的衰变,这些所谓的“幽灵粒子”被认为侦测无望。事实上,保利自己也认为这些幽灵粒子不可能会被侦测到,并为他的说法赌上一箱香槟,人尽皆知。”我做了一件可怕的事情,我假设了一个永远都不会被发现的粒子。”

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

中微子。当弗雷德克和克莱德·考恩在1956年发现了由核反应堆发射的反中微子时,保利显得很开心,即使他的赌言被打破了。弗雷德克和克莱德的这个发现,获得了1995年的诺贝尔物理奖。实际上,中微子天文学在诺贝尔奖中是一个十分受待见的话题,1988年这个奖项联合授予莱昂·莱德曼,梅尔文·施瓦茨和杰克·斯坦伯格三人“通过对μ子中微子的发现来证实中微子束法和轻子的双重态结构“;无独有偶,2002年时,有一半的诺贝尔奖授予了小雷蒙德·戴维斯和Masatoshi Koshiba对天体物理学的开创性贡献,特别是对探测宇宙中微子的贡献。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

但是中微子诺贝尔最令我着迷的是2015年颁布给阿瑟·B·麦克唐纳和高崎佳田“对中微子振荡的发现从而表明中微子具有质量”这一成就。看,早先的中微子理论也认为中微子是没有质量的微粒,然而,到了1957年,一位意大利物理学家布鲁诺·蓬泰科尔沃已经开始思考关于存在多种类型中微子(或称“香味”电子、μ和τ)的可能性,还有认为它们可以改变,或者从一个粒子到另外一个粒子“振荡”。在1962年。对多种类型中微子的假设在美国布鲁克海文国家实验室被皮曼·施瓦茨和斯坦伯格观测到电子和μ子中微子的存在,而τ子中微子也最终在2000年的时候被确认发现。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

但是,一个相当令人毛骨悚然的难题——关系着“太阳中微子问题”也应运而生了。一个由物理学家XX和XX着手的实验在南达科塔州的霍金金矿进行,在实验过程中,他们只探测到了大约百分之三十的太阳中微子数量,远远低于他们对太阳光度所得出来的应拥有的太阳中微子数量本身。唯一用来解释这个现象的说法(除了人们担心了一段时间的太阳本身正在消亡之外)就是太阳中微子在不同的味道之间振动,就像它们从太阳到地球上。霍金的这个实验(只能探测电子中微子)因此也只能获得实际实际数量的三分之一。这个解决方案的一个直接后果,就是中微子必然是具有着质量,才使得这些振荡的发生——但这个结果与对粒子所进行物理预测出来的标准模型是相悖的,因为它们是无质量粒子。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

粒子物理标准模型,最后一行的绿色粒子为中微子,他们的质量目前未知。(图片来源:维基百科)这也就是为什么我觉得中微子如此有趣的原因之一——标准模型虽然不能解释诸如引力、暗物质和能量以及物质-反物质不对称等一些相当重要的现象,但却是最成功和最普遍的现象之一。而截止到目前为止,粒子物理学的理论也一直都被证明是正确的。后来,为了查明原因,中微子物理学家们跳出标准模型的范畴,对他们来说,这个决定势必会是一个相当令人兴奋的前景。而这些中微子振荡的证据,以及它们的质量,都是一段长久的奋斗,也是卡吉塔和麦克唐纳能够在2015年获得诺贝尔奖的原因。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

卡吉塔和他的同事是日本超级神冈实验的参与人员,在1998年的实验数据显示,来自地球对岸的电子和μ子中微子的比例是不同的,这表情中微子在长距离移动时会改变味道,穿过地球。一开始,物理学家们是能够用实验表明中微子确实具有质量,虽然只有0.1eV。一年过后,由麦克唐纳领导的萨德伯里微中子观测站(斯诺)开始收集数据,并且能够确定在太阳中产生的电子中微子,有多少在到达地球时会变成μ子中微子或τ中微子。斯诺的诗句证实了一个事实——当中微子到达地球时,三分之二的太阳电子中微子会改变味道。

人类所想象的最微小的现实,物理学家研究的基本粒子,是有是无?

日本的超级神冈探测器,在实验初期(1996年)往探测器内灌水。(图片来源:东京大学)虽然中微子科学在两个实验之后的几年里有了很多的进步,但仍存在许多问题,包括我们仍然不知道三种中微子味道的确切质量,或者它是如何达到这个质量的。在2015年奖项颁布的隔天,我写了一个博客。讲的是今天当我们涉及到物理界的一些大且未知的问题时,为什么提升我们对中微子质量的理解是如此重要,更吸引你去读这篇博客的是,我前面提到的关于更多标准模型问题的答案,可能就在于一个尚未被发现但我们长期垂涎已久的一种被称为无菌中微子的第四种中微子。而你只需要阅读那个博客,就能找到更多的信息。不过,我确实希望我已经为我为何如此着迷中微子诺贝尔奖提出了一个很好的理由。另外,不管怎样,我将留给你们物理学家弗雷德里克·赖因斯曾经描述中微子的迷人话语,即”人类所想象的最微小的现实”。参考资料1.WJ百科全书2.天文学名词3. physicsworld- BUIBUI如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

特别声明:以上文章内容仅代表作者本人观点,不代表新浪网观点或立场。如有关于作品内容、版权或其它问题请于作品发表后的30日内与新浪网联系。

士值品牌馆丨育儿

士值品牌馆丨育儿

科学育儿,探讨育儿新理念

+关注
作者文章