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中微子

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中微子
FirstNeutrinoEventAnnotated.jpg
1970年11月13日,中微子首先在氢气泡室中被观测。一个中微子撞击氢原子中的一个质子。这撞击发生于照片右方,在三条轨道散发出来之点。
组成 基本粒子
費米子
第一,第二与第三
基本相互作用 弱力万有引力
符号 ν
e
ν
μ
ν
τ
ν
e
ν
μ
ν
τ
反粒子 反微中子(可能与中微子相同)
理论

ν
e
(电中微子): 沃尔夫冈·泡利 (1930)
ν
μ
(μ中微子):1940年代晚期

ν
τ
(τ中微子):1970年代中期
发现 ν
e
: 克莱德·科温弗雷德里克·莱因斯(1956年)
ν
μ
: 利昂·莱德曼, 梅尔文·施瓦茨杰克·施泰因贝格尔(1962年)
ν
τ
: DONUT协作项目(2000年)
类型 3 - 电子、μ子和τ子
质量 极小,但不为零。
电荷 e
自旋 12
弱超荷 −1
BL −1
X −3

中微子意大利语Neutrino,其字面上的意義為「微小的電中性粒子」,又譯作微中子),是輕子的一種,其自旋量子數為½,符號為希臘字母\ \nu

微中子有三種:電微中子(符號為\ \nu_{e})、μ中微子(符號為\ \nu_{\mu})和τ中微子(符號為\ \nu_{\tau}),分別對應於相應的輕子電子μτ。所有微中子都不帶電荷,不參與電磁相互作用強相互作用,但參與弱相互作用標準模型的假設裡微中子的靜止質量為零,但可以通過修改標準模型使微中子有非零的質量。

微中子振盪實驗證實,三种微中子中最重的一种至少有0.05电子伏的质量[1],这个数据大约相当于电子的一千万分之一。

反微中子[编辑]

微中子沒有通常意義上的反粒子。其中反電微中子是β衰變的副產品。目前觀察到微中子只有左旋,而反微中子只有右旋。反微中子如同微中子只參與弱交互作用重力作用。

由於微中子不帶電荷,其可能即是自己的反粒子。帶有這種性質的粒子稱作馬悠拉納粒子。如果微中子確實是馬悠拉納粒子,我們便有機會觀察到不放出微中子的雙重β衰變。有許多實驗試圖去尋找這類的反應過程。

歷史[编辑]

1930年,奧地利物理學家泡利提出存在微中子的假設。1956年,柯溫C.L.Cowan)和弗雷德里克·萊因斯利用核反應堆產物的β衰變產生反微中子,觀測到了微中子誘發的反應:

{\bar{\nu}}_e + p \rightarrow n + e^{+}

這是第一次從實驗上得到微中子存在的證據。

1962年,美國布魯克海文國家實驗室的物理學家利昂·萊德曼等人發現了微中子有「味」的屬性,證實了μ微中子和電微中子是不同的微中子。他們也因此獲得1988年的諾貝爾物理學獎。2000年7月21日,美國費米國家實驗室宣佈發現了τ微中子存在的證據。

1968年,美國物理學家雷蒙德·戴維斯等人在美國南達科他州Homestake地下金礦中建造了一個大型微中子探測器,探測發現,來自太陽的微中子比理論預言減少了1/3,這就是太陽微中子問題。1998年6月5日,日本超級神岡探測器的科學家們宣佈找到了微中子振盪的證據,即微中子在不同「味」之間發生了轉換(電微中子和μ微中子間變換),這現象只在微中子的靜止質量不為零時才會發生。然而這個實驗只能測出不同「味」的微中子質量之差,尚不能測得其絕對質量。

1982年,日本科學家小柴昌俊在一個深達1000公尺的廢棄砷礦中領導建造了神岡探測器,最初目標是探測質子衰變,也可以利用微中子在水中產生的切連科夫輻射來探測微中子。1987年2月,在銀河系的鄰近星系大麥哲倫雲中發生了超新星1987A的爆發。日本的神岡探測器和美國的Homestake探測器幾乎同時接收到了來自超新星1987A的19個微中子,這是人類首次探測到來自太陽系以外的微中子,在微中子天文學的歷史上具有劃時代的意義。

20世紀90年代,神岡探測器經過改造,名為超級神岡探測器,容量擴大了十倍。1998年,超級神岡探測器首次發現了微中子振盪的確切證據,表明三種微中子是可以互相轉換的,為解決太陽微中子問題指明了道路。

2001年,加拿大薩德伯里微中子天文台發表了測量結果[2],探測到了太陽發出的全部三種微中子,證實了太陽微中子在達到地球途中發生了相互轉換,三種微中子的總流量與標準太陽模型的預言相符合,基本上有解釋了太陽微中子失落的部分。

2002年,雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在微中子天文學的開創性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎

性質[编辑]

粒子間的各種弱相互作用會產生微中子,而弱相互作用速度緩慢正是造就了恆星體內「質子-質子」反應的主要障礙,這也解釋了為什麼微中子能輕易的穿過普通物質而不發生反應。太陽體內有弱相互作用參與的核反應每秒會產生10的38次方個微中子,暢通無阻的從太陽流向太空。每秒鐘會有1000萬億個來自太陽的微中子穿過每個人的身體,甚至在夜晚,太陽位於地球另一邊時也一樣。

探測[编辑]

由於微中子與其他物質的交互作用極小,微中子的探測器必須夠大,以求能觀測到足夠數量的微中子。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾,微中子的探測儀器時常設立在地底下。

2013年11月21日由美国国家科学基金会提供的照片显示的是位于南极站的“冰立方天文台”,这是世界上最大的中微子探测器。多国研究人员21日在美国《科学》杂志上说,他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。科学家评论说,中微子天文学从此进入新时代。中微子是一种神秘的基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。它能自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星,难以捕捉和探测,因而被称为宇宙中的“隐身人”。[3] [4]

速度[编辑]

在「微中子震盪」這個概念出現以前,根據狹義相對論而建立的微中子標準模型,微中子的質量應為零[5],並應該以光速行進。然而,近年的研究似乎開始對「微中子的質量是零」這個假設開始動搖[5],亦因此開始有人質疑微中子是否能夠以光速行進。

科學家首次對微中子的速度進行偵測在1980年代早期,當時科學家透過從脈衝質子束射擊而產生的脈衝π介子束來測量微中子的速度。當帶電的π介子衰變,就會產生緲子及微中子或電微中子。透過長基線的設計,由遠方的加速器以此種方式產生微中子,經過地殼的作用削減背景事例,來進行微中子震盪的研究。透過檢測加速器產生粒子,與微中子出現在偵測器的時間差,就可測量出微中子的速度。結果顯示微中子的速度是光速與假設相符。後來當這個實驗在其他地方重覆時,測量微中子的方法改用了MINOS偵測器,測出了一顆能量為GeV的微中子的速度達1.000051(29) c。由於這個速度的中間值比光速還要快,科學家當時認為實驗的不確定性太大,而實際上微中子的速度應該不可能超過光速。這個實驗設定了50 MeV的緲微中子的質量上限。[6]

同樣的觀測不單在地球上發現,當天文學家觀測超新星SN 1987A微中子爆發時,世界各地有三台微中子偵測器各自探測到5到11個微中子。有趣的是:這些偵測器是在SN 1987A爆發的光線來到地球之前3小時偵測到的。對於這個現象,當時科學家把它解說為因為「微中子於超新星爆發時比可見光更早被發射出來,而不是微中子比光速快」,而這個速度亦與光速接近。然而,對於擁有更高能量的微中子是否仍然符合標準模型擴展仍然有爭議[7][8][9],當微中子違反了洛倫茲不變性而發生震盪,其速度有可能會比光速還要快。

2011年9月,位於義大利格蘭薩索國家實驗室(LNGS)的OPERA实验宣佈觀測結果,並刊登於英國自然雜誌[10]。研究人員發現,微中子的移動速度比光速還快[10][11][12]。根據這項對緲微中子的研究,發現當平均能級達到17 GeV的緲微中子從CERN走到LNGS,所需的時間比光子在真空移動的速度還要快60.7納秒,即以光速的1.0000248倍運行,是實驗的標準差10納秒的六倍,「比光速快6公里[10]」,是非常顯著的差異。如果此結果確定證實的話,將會是理論物理學界的一大震撼,其中一方的說法是,如果真的有如此大的差異,從超新星飛來的微中子應該早到數年而不是數小時。為此,合作進行實驗的歐洲粒子物理研究機構特地舉辦了一場網路發表會[13],詳細說明的實驗的方法以及各種誤差的估算,同時邀請其他的實驗機構能夠重複相同的實驗,來作為此結果的驗證。[14][15]然而,在2012年2月,CERN发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象[16],但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度[17]。为此将在2012年5月重新进行试验进行检测[18],在此之前,Opera的实验室中心主任已经引咎辞职。2012年5月,由诺贝尔奖得主卡洛·鲁比亚领导的团队ICARUS重新测量了中微子速度[19],发现结果并没有超过光速。

參考資料[编辑]

  1. ^ Particle Data Group, K.A. Olive et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 38, 090001 (2014)
  2. ^ Ahmad, Q.R. et al., Physical Review Letters, 87, 1301. NASA ADS
  3. ^ 科学家首次捕捉到太阳系外高能中微子,科学网,作者:IceCube Collaboration 来源:《科学》 发布时间:2013-11-26
  4. ^ Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,Science 22 November 2013
  5. ^ 5.0 5.1 何世豪. 微中子震盪、自旋進動和微中子電偶極. 國立清華大學. 2005 [2011-09-23] (中文(繁體)‎). 
  6. ^ P. Adamson et al.MINOS Collaboration). Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam. Physical Review D. 2007, 76 (7). arXiv:0706.0437. Bibcode:2007PhRvD..76g2005A. doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. 
  7. ^ D. Colladay and V.A. Kostelecky, CPT Violation and the Standard Model, Phys. Rev. D 55, 6760 (1997). arXiv:hep-ph/9703464
  8. ^ D. Colladay and V.A. Kostelecky, Lorentz-Violating Extension of the Standard Model, Phys. Rev. D 58, 116002 (1998). arXiv:hep-ph/9809521
  9. ^ V.A Kostelecky, Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model, Phys. Rev. D 69, 105009 (2004). arXiv:hep-th/0312310
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 微中子比光速快 相對論翻盤?. 聯合晚報. 2011-09-23 (中文(繁體)‎). 
  11. ^ Jason Palmer. Speed-of-light experiments give baffling result at CERN. BBC新聞. 2011-09-22 [2011-09-22] (英文). 
  12. ^ http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1109/1109.4897.pdf
  13. ^ OPERA實驗關於微中子性質的量測結果 (英文). 
  14. ^ CERN Press Office. OPERA發現關於微中子自CERN至Gran Sasso異常的飛行時間. CERN. 
  15. ^ 再實驗證實 微中子比光速快 倫敦/中央社2011/11/19 01:18
  16. ^ Edwin Cartlidge. BREAKING NEWS: Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results. ScienceInsider. 22 February 2012 [2012-02-27]. 
  17. ^ Edwin Cartlidge. Official Word on Superluminal Neutrinos Leaves Warp-Drive Fans a Shred of Hope—Barely. ScienceInsider. 4 February 2012 [2012-02-27]. 
  18. ^ 科学家将于5月重新进行“中微子超光速”实验. 科学网. 2012-02-24 [2012-02-27]. 
  19. ^ Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam [url=http://arxiv.org/abs/1203.3433]

參考文獻[编辑]

參看[编辑]

外部連結[编辑]