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中微子: 渺小的“巨人”

2019年11月28日来源:光明日报

中微子是很小的粒子,它是一个不喜欢跟别人“交流”的东西,但中微子跟人们每一天的生活都有很密切的关系,像一位渺小的“巨人”。

试想一下,如果有一天,宇宙没有了中微子,世界会变成什么样?从物理学家的研究中看,如果没有中微子的话,太阳将不会发光,也不会发热,人类每一天的生活都会在黑暗的世界。

为什么科学家要研究中微子呢?因为科学家发现,中微子存在于宇宙的每一个角落!太阳的中心每一天都有很多中微子跑出来;在地球上利用核电的时候,反中微子会跑出来。

宇宙里一共有三类中微子,第一个是电子中微子,第二个是μ中微子,第三类是τ中微子。

从20世纪50年代到近期,科学家都相信中微子是没有质量的,这是粒子物理一个很重要的基础。中微子是很“害羞”的粒子,不喜欢跟别的东西有作用。所以要研究中微子物理的时候,科学家需要产生大量的中微子,还有很大的探测器,才可以看到中微子的作用。

大概20世纪60年代到20世纪90年代,Davis教授的团队在美国Homestake矿洞研究太阳中微子,他们发现太阳中微子的数量跟科学家的计算差了很多,见到的只有预测的1/3,其他的2/3的太阳中微子去哪了?

另外有一个很奇怪的实验结果,是20世纪90年代,在日本超级神冈探测器得到的,科学家用五万吨的纯水来研究从大气里跑出来的中微子。结果他们发现大气中微子从南极产生出来,经过地球,然后到探测器的时候,大约一半的中微子不见了。

科学家怎么样去理解太阳中微子和大气中微子不见了的问题呢?一种可能就是中微子振荡。

开始的时候,一类中微子像白色的“幽灵”产生出来,科学家让这些中微子往前跑;过了一段距离的时候,其中一个变成了另外一类。经过这种演变,就可以理解为何有一些中微子在跑的时候就不见了。

但怎样证明中微子振荡是正确的?在加拿大的SNO实验,科学家用一千吨的重水做实验,通过不同的中微子作用,观察到电子中微子和其他两类的中微子。科学家就知道中微子是可以改变他们本性的,并且也存在中微子振荡。

通过中微子振荡,科学家知道中微子是有重量的,所以以前说中微子没有质量是不对的!因为中微子是有质量的,基本上宇宙的中微子总质量和跟发光的星体差不多,中微子的存在,对宇宙的发展有很大关系。所以,现在有新的物理在等待科学家去发展。

除了太阳中微子和大气中微子振荡以外,还有没有第三类?我们的科研团队在大亚湾核电站做一个新实验,现在已经做到全世界最精准的第三类中微子振荡的结果。

(作者:陆锦标,系未来科学大奖“物质科学奖”获得者)