聊粒子-中微子的发现

31 1月

原子核之父卢瑟福发现了铀岩的天然放射性会发出β射线,其实就是电子束,而且是从原子核里放射出来的。

问题是原子核里只有质子和中子,没有电子,怎么会放射出电子?其实天然放射性就是元素衰变,当元素衰变时,能产生一个新元素的原子核和电子,即核A = 核B+电子。

这很容易理解,但随着研究深入发现一个诡异现象,衰变前后的能量不守恒了。

按常理元素衰变后,核A能量 = 核B能量+电子能量。但经测量,核A能量 > 核B能量+电子能量,元素衰变后一部分能量不翼而飞了。

这个问题困扰了人们很久,能量守恒是千古不变的真理,但排除测量误差后,确实衰变前后能量不守恒了,这种现象无法解释。

1930年量子力学大佬玻尔给出个解释是:能量守恒只在统计意义上守恒,单次β衰变的能量就是可能不守恒的。即你统计一堆β衰变后,总能量是守恒的,但你只实验一个粒子就不守恒了。

我们现在知道这种解释是错误的,其实不用等到现在,当时玻尔的学生泡利(提出泡利不相容原理的这位)就不同意。认为老师玻尔在硬解释。因为一个β衰变,就将千古不变的能量守恒抛弃,这种想法不靠谱。

泡利猜想丢失的这部分能量可能来自于一种未知的新粒子,即等式应该是:核A = 核B+电子+新粒子,核A能量 = 核B能量+电子能量+新粒子能量。

β衰变只有能量不守恒,电荷是守恒的,所以新粒子不带电。而且丢失的这部分能量太小,根据爱因斯坦的质能方程一算,发现新粒子的质量比电子还小,所以人们一直没有观测到。

泡利一开始不敢发表论文预言这个新粒子,因为预言新粒子最后被打脸的例子比比皆是。

当时狄拉克预言了正电子,泡利还嘲笑过狄拉克,认为狄拉克这沙雕解释不了就开始预言什么反物质,我就比狄拉克聪明,不会随便预言新粒子。结果正电子居然真的被发现了,再加上别人的怂恿,泡利最后扭扭捏捏发表论文,预言了新粒子。

因为新粒子不带电,而且质量比电子还小微不足道,所以泡利起名“中微子”,名字起的倒很形象。

意大利人费米(1901-1954)在泡利的基础上,给出了更本质的解释。

费米从小就是个天才,物理学家中天才很多,费米显然是天才中的天才。

中考时有一道附加题,写一篇关于声音特性的文章。正常初中生多普勒效应啥的也能写写。费米直接写了篇论文,用傅里叶分析给出了杆振动的波动方程。校方惊呆了,看不懂啊,满分!以第一的成绩入学高中。

大学里一边研究相对论,一边自学量子力学,这两门在当时都是最热最难的门类。1924年费米去德国哥廷根大学深造,不到两年费米已经成为量子力学的权威了,25岁就当上了教授。

长的也帅,吸引了一群小鲜肉纷纷要费米做导师,因为费米是意大利人,所以称费米为量子教皇。

费米也是最后一位理论和实验都顶级的双料物理学家。

基本粒子根据自旋分类,分为费米子玻色子两类。

1925年在泡利提出泡利不相容原理后,费米写了一篇论文《论单原子理想气体的量子化》提出了遵循泡利不相容原理的全同粒子组成的系统的统计规律。后来又被大神狄拉克推导出来,称为“费米-狄拉克统计”,这就是费米子的由来。

自旋为半整数的粒子从此被叫做费米子,以费米命名。

自旋为整数的粒子被叫做玻色子,以印度人玻色命名。

费米子和玻色子,以后再说,先回到中微子。

费米(1901-1954)在泡利的基础上,给出了更本质的解释,即β衰变理论。

原子核里没有电子,那原子核里β射线哪里来的?

费米就说原子核里质子和中子可以相互转化,中子可以变成质子,放出一个电子和一个中微子,即中子 = 质子+电子+中微子。

反之也行,在能量有利的情况下,质子也可以变成中子,放出一个正电子和一个中微子,即质子 = 中子+正电子+中微子。

这两个等式几乎把当时所有的基本粒子都写进去了,而且左右两边所有的电荷和能量都守恒,完美!

β衰变理论中最重要的就是费米提出了弱力,成为继引力,电磁力后人类发现的第三种基本作用力。

理论有了就差实验证明中微子了,第一个在实验中观测到中微子的,诺奖就稳了。

但中微子极其难以观测到,否则也不会拖到这么晚。首先对基本粒子的大小要有个概念。

原子已经非常小了,原子核更小,只占原子体积的几千亿分之一,所以原子内部绝大部分空间都是空的。

原子核内部是一堆质子和中子,挤在一起都已经这么小了,电子比单个质子和中子的体积还要小,小到至今观测不到体积的下限在哪里。

中微子质量比电子还要小,所以几乎不能被直接观测到。

因为观测这个动作是有物理意义的。直接观测就是眼睛看,需要光子射到粒子上反射回我们的眼睛才能看见,但中微子小到没有底线,光子要打到它的概率很低。

如果直接观测不行,但它可以和其他元素相互作用,我们看这个反应变化也行。但中微子实在太小,穿过原子,能击中原子核的概率极低,别忘了原子核体积只占原子体积的几千亿分之一。形象点说一个中微子要穿过一千亿个地球才能和一个原子核发生碰撞。

而且中微子不带电,所以不参与电磁作用,用之前在云室里布满磁场,测量粒子偏转的方法也不可行。

所以中微子也被称为幽灵粒子,我们虽然知道它存在,但看不见摸不着,测量不到。

电影2012就是中微子和地核中某物质碰撞发生了反应,显然是不靠谱的,如果这么容易就能碰撞,中微子就不会这么难找了。

1956年莱茵斯(1919-1998)科温(1919-1974)首次完成了直接观察中微子的实验。

当时二战已经结束,美国有很多核反应堆,他俩就在反应堆边上很深的底下井里做实验。深井能最大程度屏蔽掉其他粒子造成的实验干扰,因为只有中微子才能轻而易举地穿透到这样的深度。

用了200升水和370加仑液体闪烁体作为探测器,观测中微子和氢核(质子)的碰撞反应,经过很长时间才探测到少量中微子。

他俩也因此获得1995年的诺贝尔物理学奖,发的有些迟,当时科温已经去世,只有莱茵斯一个人去领了奖。

正当人们认为中微子从理论到实验都已全部完成时,出现了个难以解释的现象。中微子最大的来源来自于太阳,太阳就像一个一直在爆炸的大氢弹,每秒都喷射出大量中微子。通过理论计算,我们能知道太阳大概能产生多少中微子,但实验探测到的中微子的数量只是理论值的三分之一,这个现象被称为“太阳中微子失踪之谜”

例如,美国物理学家戴维斯(1914-2006)在美国的霍姆斯科特金矿地下1500米深的矿井中做实验。

利用的原理是:中微子虽然不和多数物质发生反应,但还是有东西能和中微子发生反应的,例如氯37。

中微子可以和氯37发生反应生成氩37和电子。

戴维斯在矿井中放了600多吨四氯乙烯做探测介质,只要中微子和氯发生碰撞,就能生成氩37,它是一种惰性气体,能看到一个小气泡冒出来。当你看到冒出了一个小气泡,就知道有一个中微子以极低的概率碰撞到了氯元素,等于探测到了一个中微子。

戴维斯在矿中一待就是30多年,仅仅探测到2000多个中微子,比预计少了三分之二。

日本物理学家小柴昌俊(1926-至今)也在探测中微子,他在日本神冈实验室1000米深的矿井里做实验。用了5万吨纯水和1万多个光电倍增管。

利用的原理是:当中微子和纯水中的原子核发生碰撞就有可能产生短暂的光速粒子,发出淡蓝色的光辉,这种辐射叫切连科夫辐射。当探测器检测到冒蓝光了,就是中微子发生碰撞了,等于探测到了一个中微子。

小柴昌俊非常幸运,他的实验1986年才开始。但1987年2月24日距离我们16.8万光年的大麦哲伦云中的一颗超新星爆发了,这种爆发特别明亮会照亮整个星系,持续几周或几个月。

就在那天小柴昌俊发现实验室里探测到了大量中微子,说是大量其实也就13个。但戴维斯在矿井里待了30年才探测到2000多个,小柴昌俊一天就探测到了13个,确实是“大量”。同样结果比比预计少了三分之二。

戴维斯和小柴昌俊的实际数据都证实了“太阳中微子失踪之谜”,他俩也共同获得2002年诺贝尔物理学奖

中微子实际值比理论值少了三分之二的原因,近几年才给出。

其实中微子不止一种,共有3种,分别是:电中微子(e),渺中微子(μ),涛中微子(τ)。

戴维斯和小柴昌俊实验中看到的是电中微子,所以只占理论值的三分之一。

这3种中微子还能互相转化,就是中微子振荡。形象点说中微子三兄弟长的很像,还互相转化,轻易分辨不出谁是谁。

所以物理学家们设计了个模型,根据混合角度来区分谁是谁。

最先证明中微子振荡的就是小柴昌俊的学生梶田隆章(1959-至今),实验地点还是小柴昌俊的神冈实验室。

证明了宇宙射线在地球大气层因散射所产生的渺中微子(μ),会在经过地球内部的途中变型为涛中微子(τ),测出了第一个角度。

另一位是加拿大的麦克唐纳(1943-至今)在加拿大萨德伯里中微子观测站同样证实了中微子振荡,测出了第二个角度。

尾田隆章和麦克唐纳共同获得了2015年的诺贝尔物理学奖

中微子是自然界中排名第二多的基本粒子,第一多的是光子。现在最大的中微子研究室在南极的冰立方(Ice Cube)

去年2018年,就探测到一个37亿光年外发射来的中微子,在宇宙间流浪了37亿年后被人类观测到。

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