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中微子：神秘的“隱形人”

中微子，是一種基本粒子，不帶電，個(gè)頭小，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，號(hào)稱宇宙間的“隱形人”。

科學(xué)界從預(yù)言中微子的存在到發(fā)現(xiàn)它，用了20多年的時(shí)間。普通人從未見到過這種神秘粒子的“真身”，其實(shí)它每時(shí)每刻都在我們身邊。它可以輕易穿透任何物質(zhì)，每秒會(huì)有1000萬億個(gè)來自太陽的中微子穿過每個(gè)人的身體。當(dāng)然，我們毫發(fā)無損，因?yàn)?，它們太小了?/p>

大多數(shù)粒子的物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生，如核反應(yīng)堆發(fā)電(核裂變)、太陽發(fā)光(核聚變)、天然性放射、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等

由于中微子與其他物質(zhì)的相互作用極其微弱，所以檢測(cè)中微子非常困難。正因如此，在所有的基本粒子中，人們對(duì)中微子了解最晚，也最少。實(shí)際上，大多數(shù)粒子的物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生，如核反應(yīng)堆發(fā)電（核裂變）、太陽發(fā)光（核聚變）、天然性放射、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等。

“撼動(dòng)”宇宙的小粒子

中微子與其他物質(zhì)的作用如此微弱，那么研究中微子是不是毫無用處呢？答案并非如此！比如，關(guān)于中微子的研究，使中微子天文學(xué)成為目前非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域。就拿天文學(xué)家手里的“武功秘籍”——宇宙微波背景輻射來說，它其實(shí)就是宇宙大爆炸的余熱。在宇宙大爆炸之后38萬年的時(shí)候，才開始在宇宙中傳播。也就是說，通過宇宙微波背景輻射，人類可以知道宇宙大爆炸38萬年之后的歷史，但前38萬年的歷史，我們是沒辦法知道的，這就可以通過觀測(cè)中微子來實(shí)現(xiàn)。

中微子的觀測(cè)能夠讓我們更加了解微觀時(shí)間的物理現(xiàn)象，同時(shí)幫助我們完善天文學(xué)中恒星、黑洞的相關(guān)模型，還能幫助我們掌握更多有關(guān)宇宙起源和演化的信息。

中微子究竟有沒有質(zhì)量？

質(zhì)量，這個(gè)我們平時(shí)不以為意的物理性質(zhì)，卻是中微子極難解的謎題之一。中微子究竟有沒有質(zhì)量呢？

加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)(圖片來源/薩德伯里中微子天文臺(tái))

2012年，著名的中國物理學(xué)家王貽芳院士領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作團(tuán)隊(duì)，宣布發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，這表明所有已知的中微子都有質(zhì)量。2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予了日本物理學(xué)家梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納(Arthur B. McDonald)，表彰他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，而中微子振蕩正是中微子有質(zhì)量的直接表現(xiàn)。2020年，科學(xué)家宣布，中微子的質(zhì)量不超過1.1電子伏特，約為電子質(zhì)量的15萬分之一。

中微子有三“味”

那么，中微子的質(zhì)量到底如何測(cè)得呢？這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題！為什么呢？

梶田隆章團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)和阿瑟·麥克唐納帶領(lǐng)的研究小組的實(shí)驗(yàn)一同發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的新現(xiàn)象，證明長(zhǎng)期被認(rèn)為沒有質(zhì)量的中微子，其實(shí)是有質(zhì)量的。

3種中微子示意圖

那么，這3種中微子（電子、μ子、τ子中微子）相對(duì)應(yīng)的也有3種中微子質(zhì)量（第1、2、3種質(zhì)量本征態(tài)）。但它們之間并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是存在某種“混合”。比如，電子中微子是以某種方式將第1、2、3種質(zhì)量本征態(tài)“混合”在一起。

關(guān)于中微子，還有很多疑問需要科學(xué)家們?nèi)ソ鉀Q。相信破解這些“秘密”之后，一定能讓物理學(xué)取得更大的進(jìn)步！

責(zé)任編輯 / 高琳

美術(shù)編輯 / 王艿晨

作者：陳思 （中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

來源：《知識(shí)就是力量》雜志

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