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奇妙的中微子:物理學家一直在尋找的幽靈粒子

1月15日,據外媒報道,每天的每一秒,你都會受到來自宇宙深處數萬億次原子粒子的攻擊。它們在宇宙颶風中穿過你的身體,以接近光速的速度轟擊。它們來自整個天空,很容易在白天或晚上穿越地球的大氣層。然而,我們并沒有意識到這一切,似乎是無害的。到底發生了什么?這些微小的電中性粒子叫做中微子。1934年,著名的美籍意大利物理學家恩里科費米提出了這個術語。在意大利語中,“中微子”的字面意思是“微小的電中性粒子”。中微子的概念實際上是物理學家試圖解釋一種奇怪的核反應。有時有些元素是不穩定的。如果它們單獨存在很長一段時間,它們就會分裂并轉化為其他元素。準確地說,它們比元素周期表上的其他元素要輕。此外,電子在轉變過程中產生。20世紀20年代,物理學家通過對這些衰變過程的仔細觀察和分析,發現了一些能量守恒的小現象。換句話說,過程開始時的能量略大于結束時的能量。從數學上講,這是沒有意義的。真奇怪!一些物理學家假設存在一個全新的粒子。這些粒子攜帶著缺失的能量。它們很小,很輕,沒有電荷。它們可以悄悄地避開探測器的觀察。用了幾十年的時間證明中微子的存在,這些微小粒子的神秘性是顯而易見的。1956年,中微子被歸類為一類已知的、測量過的、并被結果證實的粒子,事情變得更加奇妙。最合適的“味覺”問題出現在子的發現上。有趣的是,當中微子的概念被提出時(20世紀30年代),介子也被發現了。子幾乎和電子一樣帶電和旋轉。它的特點是它的質量大約是電子的200倍,所以可以想象它是一個“加重的”電子。介子參與特定類型的反應,但通常不會持續很長時間。由于介子的尺寸很大,因此非常不穩定,并且很快(1到2微秒)衰變為較小的粒子。物理學家已經對這個過程了解很多了,但它與中微子的故事有什么關系呢?物理學家已經注意到,表明中微子存在的衰變反應總是產生一個電子,而不是子。在其他反應中,子出現,而不是電子。為了解釋這些發現,物理學家推測某些中微子(不是其他類型的中微子)在某些衰變反應中總是與電子配對,而子必須與一些未發現的中微子配對。畢竟,電子“友好”中微子不能解釋對介子事件的觀察。搜索一直持續到現在。到1962年,物理學家終于鎖定了第二類中微子。起初它被稱為中子,但物理學家最終選擇了一個更合理的術語,介子中微子,因為它總是在反應中與介子成對出現。有兩種中微子被證明是存在的。自然界還有什么驚喜嗎?1975年,斯坦福線性加速器中心(2008年改名為SLAC國家加速器實驗室)的研究人員篩選了大量數據,以揭示存在質量大于電子和子的基本粒子:子。這個粒子的質量是電子的3500倍,它是一個相當大的粒子!所以問題出現了:對于這三種粒子,電子,子和,除了電子和子中微子之外,還有對應于的中微子嗎?它可能存在,也可能不存在??赡苤挥袃蓚€或四個中微子。也許有17種…自然從來沒有完全滿足我們的期望,所以現在沒有理由得出結論。幾十年來,物理學家們通過大量的實驗和觀察來說服自己,第三中微子應該存在。但直到千禧年,費米實驗室的一項特殊實驗才最終成功。2000年7月,甜甜圈實驗合作項目宣布了中微子的發現。那么,為什么我們如此關心中微子呢?從第二次世界大戰到現在,我們已經追了70多年了?為什么一代又一代的科學家對這些微小的電中性粒子如此著迷?原因是中微子繼續超出我們的預期。很長一段時間,我們甚至不知道它們是否存在;很長一段時間,我們確信它們根本沒有質量,直到實驗結果告訴我們這些微小的粒子一定有質量。它們有多少質量仍然是物理學家正在探索的問題。此外,中微子在繁殖過程中振蕩“味道”的習性非常煩人,但在產生和檢測中微子時,它們有一個清晰的味道。在粒子物理學中,“味覺”是基本粒子的量子數。物理學家們還推測,可能還有另一種中微子,惰性中微子,可以由中微子振蕩產生,而無需任何常規的相互作用。物理學家正試圖追蹤這個神秘的粒子。最近的一些研究和實驗異常表明,包括惰性中微子在內的新型中微子可能仍然存在??梢哉f,中微子不斷挑戰我們對物理學的了解。無論是在過去還是將來,它們都將是物理學家最需要的挑戰之一。

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