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中微子

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基本简介编辑本段回目录

中微子中微子

粒子物理的研究结果表明,构成物质世界的最基本的粒子有12种,包括6种夸克(上、下、奇、粲、底、顶),3种带电轻子(电子、缪子和陶子)和3种中微子(电子中微子,缪中微子和陶中微子)。中微子是1930年德国物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量似乎不守恒而提出的,五十年代才被实验观测到。

中微子只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质,在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。正因为如此,在所有的基本粒子,人们对中微子了解最晚,也最少。实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然放射性(贝塔衰变)、超新星爆发宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立方厘米100个。

1998年,日本超级神岗实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象,即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后,这一结果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚,它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

由于探测技术的提高,人们可以观测到来自天体的中微子,导致了一种新的天文观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子,可以用来研究地球构造。

中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到,大小未知;其次,它的反粒子是它自己还是另外一种粒子;第三,中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;第四,它有没有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学地球物理的交叉与热点学科。

术语定义编辑本段回目录

中微子中微子

中微子个头小,不带电,可自由穿过地球,几乎不与任何物质发生作用,号称宇宙间的“隐身人”。科学家观测它颇费周折,从预言它的存在到发现它,用了10多年的时间。

要说中微子,就不得不提它的“老大哥”——原子基本组成之一的中子。中子在衰变成质子和电子(β衰变)时,能量会出现亏损。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。

1931年春,国际核物理会议在罗马召开,当时世界最顶尖的核物理学家汇聚一堂,其中有海森堡、泡利、居里夫人等。泡利在会上提出,β衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的,能量亏损的原因是因为中子作为一种大质量的中性粒子在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子,正是这种小质量粒子将能量带走了。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。

研究范围编辑本段回目录

中微子中微子

中微子天文学是天体物理的一个分支,主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子是不带电的静止质量为零或很小的基本粒子。它和一般物质的相互作用非常弱,除特殊情况外,在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面,因此探测来自恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。最早的研究集中在太阳。太阳的能源主要来自内部的质子-质子反应,因而会产生大量的中微子。美国布鲁克海文实验室的戴维斯等人用大体积四氯化碳作靶,利用37Cl俘获中微子的反应来探测太阳的中微子发射率。实测的结果远远小于恒星演化理论的太阳标准模型的预期值,这就是著名的中微子失踪案。近年来人们发现原来使用的恒星大气中元素的不透明度太小,改进后已有所改善。进一步日震研究改进了太阳内部结构,从而大大地缓和了这个矛盾。另一个可能是中微子有很小的静质量。果如此则可以解释宇宙中的质量短缺问题。

中微子还大量地产生于超新星爆发时和宇宙中其它物理过程中。在日本的一个矿井和美国的俄亥俄用一个巨大的水容器来探测切连可夫辐射,从而探测到了来自超新星SN 1987A的中微子辐射。欧洲共同体的GALLEX和俄国的一个装置利用中微子和镓的相互作用来探测中微子。

研究历史编辑本段回目录

中微子的发现
中微子中微子

要追溯中微子发现的经过,还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起。科学家们发现,在量子世界中,能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的,而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的,是符合量子世界的规律的。奇怪的是,物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的,而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分,还有一部分能量失踪了。

1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”,最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931年,泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。1932年真正的中子被发现后,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。

1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。

泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受,但终究还蒙上了一层迷雾:谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过,中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候,我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生,直到回国,他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年,王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章,发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月,该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果,证实了中微子的存在,这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功,直到1952年,艾伦与罗德巴克合作,才第一次用成功地完成了实验,同一年,戴维斯也实现了王淦昌的建议,并最终证证明中微子不是几个而是一个。

电子俘获试验证实了中微子的存在以后,进一步的工作就是测量中微子与质量相互作用引起的反应,直接探测中微子。由于中子与物质相互作用极弱,这种实验是非常困难的。直到1956年,这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源,核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变,分裂成碎片时又放出中子,从而使其再次裂变。裂变碎片大多是β放射性的,反应堆中有大量裂变碎片,因此它不仅是强大的中子源,也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小,要求用大量的靶核,莱因斯选用氢核(质子)作靶核,使用了两个装有氯化镉溶液的容器,夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体,每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性,从而证实了中微子的存在。为此,他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。

在泡利提出中微子假说以后,经过26年,人们才第一次捕捉到了中微子,也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。

对中微子的研究
中微子中微子

为了研究中微子的性质,各国建造了大量探测设施,比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、意大利的“宏观”、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。

1994年,美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器,以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰原作为探测器的安置场所,是因为冰不产生自然辐射,不会对探测效果产生影响。此外,把探测器埋到深处,是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。

宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的,在宇宙大爆炸产生,现在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中,在引力坍缩过程中,由质子和电子合并成中子过程中产生出来的,SN1987A中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上,通过轻核反应产生的十几MeV以下的中微子,目前还无法搞清楚的太阳中微子就是其中之一。第四种是高能宇宙线粒子射到大气层,与其中的原子核发生核反应,产生π、K介子,这些介子再衰变成中微子,这种中微子叫“大气层中微子”。五是宇宙线高能持子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生π介子,这个过程叫“光致π”, π介子衰变产生高能中微子,这种中微子能量极高。第六种是宇宙线高能质子打在星体云星际介质的原子核上产生核反应生成的介子衰变为中微子,特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物β衰变产生的中微子,这类中微子是很少的。

泡利提出中微子假说时,还不知道中微子有没有质量,只知道即使有质量也是很小的,因为电子的最大能量与衰变时放出的总能量很接近,此时中微子带走的能量就是它的静止能量,只能是很小的。1998年6月,日本科学家宣布他们的超级神冈中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量,这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本中部岐阜县的小镇神冈町,希望亲眼目睹实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉休指出:“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”

超级神冈探测器重要用来研究太阳中微子。太阳是地球上所有生命的源泉,也是地球表面最主要的能量来源。事实 上,到达地球太阳光热辐射总功率大约是170万亿千瓦,只占太阳总辐射量的22亿分之一。爱因斯坦相对论的质能关系式使人们了解了核能,而太阳正是靠着核反应才可以长期辐射出巨大能量,这就是太阳能源的来源。在太阳上质子聚变和其他一些轻核反应的过程中不仅释放出能量,而且发射出中微子。人们利用电子学方法或者放射化学的方法探测中微子。1968年,戴维斯发现探测到的太阳中微子比标准太阳模型的计算值少得多。科学还无法解释太阳中微子的失踪之谜,也许是因为中微子还有许多我们不了解的性质。

这个探测装置由来自日本和美国的约120名研究人员共同维护。他们在神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑中设置了一个巨大水池,装有5万吨水,周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时,由于水中氢原子核的挲淇极其巨大,两者发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大,并通过转换器变成数字信号送入计算机,供科学家们分析。

科学家们已经确认中微子有三种形态:电子中微子、μ(缪子)中微子和τ(陶子)中微子;其中只有前两者能够被观测到。日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪子中微子。研究人员在6月12日出版的美国《科学》杂志上报告说,他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入水槽的缪子中微子,只有理论值的百分之六十;在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个,只剩下理论值的一半。他们据此推断,中微子在通过大气和穿过地球时,一部分发生了振荡现象,即从一种形态转为另一种,变为检测不到的陶子中微子。根据量子物理的法则,子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论不言而喻:中微子具有静止质量。研究人员指出,这个实验结果在统计上的置信度达到百分之九十九点九九以上。

这个实验不能给出中微子的准确质量,只能给出这两种中微子质量之差--大约是电子质量的一千万分之一,这也是中微子质量的下限。中微子具有质量的意义却不可忽视。一是如前所述,由于宇宙中中微子的数量极其巨大,其总质量也就非常惊人。二是在现有的量子物理构架中,科学家用假设没有质量的中微子来解释粒子的电弱作用;因此如果它有质量,目前在理论物理中最前沿的大统一理论模型(一种试图把粒子间四种基本作用中的三种统一起来的理论)就需要重建。

不过日本科学家不是最早提出中微子具有静止质量的人。早在1980年,苏联理论与实验物理研究所柳比莫夫小组在经过10年的氚?能谱测量以后得出结论,认为中微子的质量为34.4电子伏特。(电子伏特是一个很小的能量单位,相当于一个电子在一伏特的电场中具有的能量。)考虑到仪器因素带来的测量误差和实验方法不完善带来的系统误差之后,中微子的质量应在17至40电子伏特之间。这一结果第一次宣布电子反中微子的质量不等于零,轰动了全世界子物理学界和天体物理学界。

他们的研究成果公布后,全世界十几个实验室纷纷采用类似的方法检验柳比莫夫小组结果的正确性。1986年,瑞士苏黎士大学物理所、日本东京大学原子核研究所、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室等先后发表了自己的实验结果,与苏联同行的结论相去不远。中国原子能科学研究院从80年代初开始也进行了此项研究,积累了三万多个实验数据,得出结论电子反中微子的静止质量在30电子伏特以下。

对中微子的研究不仅可以告诉我们宇宙整体的质量,而且可以揭示浩瀚的太空深处各种星体的奥秘。这是因为从星球内部发出的光很难穿过庞大的星球,我们现在所观测到的星光、太阳光只是星球、太阳表面发出的光,只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。因此,揭开关于中微子的各个谜,既是深入认识微观世界的需要,也是深入认识宏观世界的需要。

1987年2月23日格林尼治时间10点35分,南半球的几个天台观测到大麦哲伦星云中一颗编号为SN1987A的超新星开始爆发。这消息公布后,几个有大型地下探测装置的实验室立刻查阅了数据记录磁带,发现在当天格林尼治时间7点35分左右总共捕获了24个来自超新星的中微子,记录下了十分珍贵的信息。中微子比光先到达地球是因为在星球内核引力坍缩的最初阶段温度激增至1011摄氏度,在高温下质子与电子合成中子而放出大量中微子。该反应产生强大的激波向外扩散,将星球外层物质加热到几十万度而导致爆发,发出大量的光辐射。这三个小时的时差就是激波从核心传到星球表面的时间。

这次观测到超新星的爆发以后,天文学的一个新领域--中微子天文学诞生了。由于宇宙中存在大量的星际尘埃,对可见光和电磁波有较强的遮蔽作用,使我们无法探测遥远宇宙的奥秘。而中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应,从而为我们带来了宇宙深处的中微子信息。比如虽然SN1987A爆发时我们只记录下了24个中微子,但却可以推算出这颗超新星爆发的总能量和爆发后形成的中子星的直径与质量。

中微子研究的新进展
中微子观察站中微子观察站

根据物理学的传统理论,稳定、不带电的基本粒子中微子的静止质量应为零,然而美国科学家的研究从另一个角度有可能推翻这一结论。

据俄《知识就是力量》月刊报道,美国斯坦福大学的科研人员对最近24年来人类探测中微子所获数据进行分析后发现,从太阳飞向地球的中微子流运动具有某种周期性,每28天为一个循环,这几乎与太阳绕自己的轴心自转的周期相重合。

美国科学家认为,这种周期性是由于太阳不均等的磁场作用造成的。磁场强度的变化,使部分中微子流严重偏移,致使探测器难以捕捉到。对此似可得出结论:中微子流有着自己的磁矩,既然有磁矩,就应有静止质量。

在微观世界中,中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应,超新星的爆发,宇宙射线与地球大气层的撞击,以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一,但由于它穿透力极强,而且几乎不与其它物质发生相互作用,因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。被誉为中微子之父的泡利与费密曾假设它没有静止质量。

1998年6月12日,东京大学的一个国际研究小组在美国《科学》杂志上发表报告说,他们利用一个巨大的地下水槽,证实了中微子有静止质量。这一论断在世界科学界引起广泛关注。由日、美、韩三国科学家组成的科研小组日前在此间宣布,他们在实验中观测到了250公里远处的质子加速器发出的中微子。这是人类首次在如此远的距离内观测到人造粒子。

日本文部省的高能加速器机构位于筑波科学城,东京大学宇宙射线研究所设在岐阜县的神冈,两地相距250公里。6月19日下午,科学家在高能加速器研究机构使用质子加速器向宇宙射线研究所的神冈地下检测槽发射中微子,并通过检测槽检测到了中微子。由于这批中微子来自筑波科学城方向,并且是在发射之后大约0.00083秒时检测到的,科学家因而断定,它们就是质子加速器发出的那批中微子。

这项实验是为了证实中微子有静止质量而设计的。1998年6月,日、美两国科学家宣布探测到中微子有静止质量。如果这一点被证实,现有的理论物理体系将受到巨大冲击。为了验证这一发现,科学家计划人工发射和接收中微子,观察中微子经过远距离传输后发生的变化,推断中微子是否有质量。

为了研究宇宙中的中微子,各种新型望远镜不断出现并投入使用。今年9月,一台专门研究中微子的特殊望远镜在地中海中开始安装。它不像普通望远镜那样直指天空,而是“反其道行之”面朝海底。这台“面海观天”的中微子望远镜名为“安塔雷斯”。它由英国、法国、俄罗斯、西班牙和荷兰等国科学家联合设计,安装地点位于距法国马赛东南海岸40公里处。望远镜在海面2.4公里以下,由13根垂入海中的缆状物组成,每个缆状物上将带有20个足球大小的探测器。

参与该国际合作项目的英国设菲尔德大学科研人员介绍说,来自宇宙的中微子能畅行无碍地穿越包括地球在内的很多物体。虽然中微子无法直接探测到,但它在穿透地球过程中,偶尔会产生少量的高能量缪子中微子,并发散出特殊辐射光——切伦科夫光。“安塔雷斯”主要通过高灵敏度探测器检测该辐射来研究中微子。由于“安塔雷斯”面向海底,绝大部分宇宙射线会被厚厚的地层屏蔽掉,大大减少了观测过程中的本底噪音。专家说,这台望远镜的安装有可能为更深入揭示伽马射线爆发以及暗物质等宇宙奥秘提供重要线索。

未来研究方向

从19世纪末的三大发现至今,已经过去了100年。在这一个世纪,科学技术飞速发展,人类对自然有了进一步的认识。但是仍有许多自然之谜等着人们去解决。其中牵动全局的问题是粒子物理的标准模型能否突破?如何突破?中微子正是有希望的突破口之一。

中微子是一门与粒子物理核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学,人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律,但是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事?中微子有没有磁矩?有没有右旋的中微子与左旋的反中微子?有没有重中微子?太阳中微子有没有失踪?太阳中微子的强度有没有周期性变化?太阳中微子失踪的原因是什么?有没有中微子振荡?宇宙背景中微子怎样探测?它在暗物质中占什么地位?有没有中微子星?恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘? 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义,在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发展起来的实验技术和中间成果,使其转化成生产力造福人类,而中微子本身也有可能在21世纪得到应用。

其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面,加上表面建筑物、地形的遮挡,电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球,它在穿过地球时损耗很小,用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一,因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制,就可以使其包含有用信息,在地球上任意两点进行通讯联系,无需昂贵而复杂的卫星或微波站。

应用之二是中微子地球断层扫描,即地层CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加,用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层,与地层物质作用可以产生局部小“地震”,类似于地震法勘探,可对深层地层也进行勘探,将地层一层一层地扫描。

历史年表编辑本段回目录

最早的中微子最早的中微子

1930年,德国科学家泡利预言中微子的存在。

1956年,美国莱因斯柯万在实验中直接观测到中微子,莱因斯获1995年诺贝尔奖。

1962年,美国莱德曼,舒瓦茨,斯坦伯格发现第二种中微子——缪中微子,获1988年诺贝尔奖。

1968年,美国戴维斯发现太阳中微子失踪,获2002年诺贝尔奖。

1985年,日本神岗实验和美国IMB实验发现大气中微子反常现象。

1987年,日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。日本小柴昌俊获2002年诺贝尔奖。

1989年,欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子。

1995年,美国LSND实验发现可能存在第四种中微子——隋性中微子。

1998年,日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。

2000年,美国费米实验室发现第三种中微子,陶中微子。

2001年,加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。

2002年,日本KamLAND实验用反应堆证实太阳中微子振荡。

2003年,日本K2K实验用加速器证实大气中微子振荡。

2006年,美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。

2007年,美国费米实验室MiniBooNE实验否定了LSND实验的结果。

中微子天文学编辑本段回目录

中微子研究中心中微子研究中心

中微子天文学天体物理学的一个分支﹐主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子是一种不带电﹑静止质量为零的基本粒子。早在研究原子核的β衰变时就从理论上预见到中微子的存在﹐但直到1956年才在实验中观察到。中微子和一般物质的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情况外,在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面﹐因此﹐对恒星发射的中微子进行探测﹐可以获得有关恒星内部的信息。

太阳每秒放出的总辐射能为 3.86×10尔格。其中绝大部分的能量由质子-质子反应产生﹐很小一部分由碳氮循环产生。这些反应中有许多分支反应过程是产生中微子的﹐中微子在地球表面处的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本领﹐一般很难测量。美国布鲁克黑文实验室戴维斯等人在深矿井中进行了太阳中微子的实验。实验中用大体积的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘获中微子的反应﹕+Cl→e +Ar﹐来探测太阳中微子。从1955年以来﹐他们所得的结果是﹕
  
在恒星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恒星演化的晚期﹐中微子的作用就变得重要了。这时﹐产生中微子的过程主要有以下几种:

第一种是尤卡过程。其反应为:
(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐
e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。
尤卡过程的总效果﹐是将电子的动能不断地转化为中微子对而放出。式中Z 为原子序数(质子数)﹐A 为质量数(核子数)﹐e 为电子﹐为电子中微子﹐为反电子中微子

第二种是中微子轫致辐射。隆捷科沃于1959年首先进行研究。电子与原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为:
e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。

第三种是光生中微子过程。丘宏义和斯塔贝尔曾在1961年首先进行研究。γ光子与电子碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为:
γ+e →e ++。

第四种是电子对湮没中微子过程。丘宏义和莫里森于1960年首先进行研究。正﹑负电子对湮没为中微子对﹐其反应为:
e +e →+。
式中e 为正电子。

第五种是等离子体激元衰变中微子过程。J.B.亚当斯等人于1963年进行研究。等离子体激元可以按如下的反应衰变为中微子对:
→+。

第二﹑三﹑四﹑五种过程是根据1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用导出的。弱电统一理论提出后﹐又出现了许多新的中微子过程﹐例如上述第三﹑四﹑五种过程右方的+都可推广为+﹐+等。

在恒星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕发射中微子﹐带走了大量的能量﹐加快了恒星演化的进程和缩短了恒星演化的时标﹔对超新星爆发和中子星形成可能起关键作用。例如﹐有一种看法认为﹕在一个高度演化的恒星内部﹐通过逐级热核反应﹐一直进行到合成铁。进一步的引力坍缩,将使恒星核心部分产生强烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相干性﹐铁原子核对中微子有较大的散射截面。因此﹐强大的中微子束会对富含铁原子核的外壳产生足够大的压力﹐将外壳吹散而形成猛烈的超新星爆发。被吹散的外壳形成星云状的超新星遗迹﹐中子化的核心留下来形成中子星。

恒星离我们十分遥远﹐以目前的探测技术还无法接收到它们发射的中微子流。只在超新星爆发使中微子发射剧增时﹐才有可能探测到。除了恒星以外﹐在类星体﹑激扰星系以及宇宙学研究对象中﹐也存在许多有关中微子过程的问题。

中微子实验编辑本段回目录

大亚湾反应堆中微子实验

中微子望远镜中微子望远镜

中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科,本身性质也有大量谜团尚未解开。在这一领域,大部分成绩均为日本和美国取得。1942年,中国科学家王淦昌提出利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案,美国人艾伦成功地用这种方法证明了中微子的存在。80年代,中国原子能科学研究院进行了中微子静止质量的测量,证明电子反中微子的静止质量在30电子伏特以下。

中微子振荡研究的下一步发展,首先必须利用核反应堆精确测量中微子混合角theta13。位于中国深圳的大亚湾核电站具有得天独厚的地理条件,是世界上进行这一测量的最佳地点。由中国科学院高能物理研究所领导的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动,联合了国内十多家研究所和大学,美国十多家国家实验室和大学,以及中国香港中国台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。实验总投资约3亿元人民币,预期2010年建成。它的建成运行将使中国在中微子研究中占据重要的国际地位。

中微子具有质量,这是很早就提出过的物理概念。但是人类对于中微子的性质的研究还是非常有限的。我们至今不是非常确定地知道:几种中微子是同一种实物粒子的不同表现,还是不同性质的几种物质粒子,或者是同一种粒子组成的差别相当微小的具有不同质量的粒子。随着人类认识的深化,科学技术的发展,中微子之谜终究是会被攻破的。

中微子天文望远镜编辑本段回目录

由于探测技术的提高,人们可以观测到来自天体的中微子,导致了一种新的天文观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子,可以用来研究地球构造。

中国超高能中微子望远镜样机获首批宇宙线事例
欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号”——KM3中微子天文望远镜,它将安装在地中海一立方公里的海水中。儒勒·凡尔纳的科幻小说《海底两万里》讲述了尼莫(拉丁语为“无此人”的意思)船长和他的“鹦鹉螺号”潜水艇的历险故事;中微子则是我们所能知的最接近“无物质”的最小粒子,它也是一种黑暗的物质。小说中的“鹦鹉螺号”被用来探索海底世界,中微子也可以被用来观测太空中那些遥不可及的天体。目前,欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号”——KM3中微子天文望远镜,它将安装在地中海一立方公里的海水中。

欧洲KM3计划的负责人之一,英国谢菲尔德大学的李·汤普森博士说:“利用中微子观察宇宙是一种全新的技术。中微子不会被其他物质吸收,也不会被其他东西反射。中微子可以穿过我们的身体,也可以穿过地球,但它们本身丝毫不受到影响。中微子不带电荷,它们的运动路线也不会因其他电磁场而弯曲。所以,一旦发现中微子,并判断出它的运动方向,我们就可以发现它在宇宙中的来源。”

由于完全不受其他物质的影响,中微子可以提供关于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它,你必须有一个巨大的探测器。为了让KM3正常工作,大量的传感器要被放置在地中海海底的一个巨大水体之内,这样它们才能捕捉任何偶然经过的中微子轨迹。

在小说中,“鹦鹉螺号”在航行中需要防御大型甲壳动物的攻击。在海底工作的KM3也有自己的麻烦。它需要被安放在一个没有过多海底生物的地方,因为这些在黑暗中大量繁殖的海底生物会自己发光,从而干扰感应器对中微子光的捕捉。 

与此同时,研究人员还在北京实现了第二台望远镜的全遥控试运行,成功实现了与中意合作ARGO全覆盖地面探测器的联合观测。截至5月23日凌晨,这台望远镜已观测到50多个宇宙线事例。中国科学院高能物理研究所研究人员表示,超高能中微子望远镜研制的成功,标志着中国具备了实施超高能中微子探测这一探索性研究的技术和人员条件,为超高能中微子探测研究的正式立项奠定了坚实的基础。

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