中微子：穿越地球的精靈
2016年10月6日，日本研究者梶田隆章和加拿大研究者阿瑟·麥克唐納因在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩方面作出的重要貢獻，
那么，中微子振蕩到底是個啥？
開啟物理新世界的鑰匙
要了解中微子振蕩，就必須先知道“標(biāo)準(zhǔn)模型”。在粒子物理中，該理論模型被用來描述各個基本粒子和它們之間的相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型對夸克、輕子等的預(yù)言十分準(zhǔn)確，特別是前幾年拿了諾獎的上帝粒子——Higgs粒子就是標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的最后一種粒子。
然而，“王冠下的腦袋總是難以安穩(wěn)”，莎士比亞的這句話，同樣可以送給今天粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。雖然在過去的幾十年間，標(biāo)準(zhǔn)模型獲得了巨大的成功，不過它也有一些小小的瑕疵，就像19世紀(jì)末的經(jīng)典物理學(xué)一樣，標(biāo)準(zhǔn)模型無法描述暗物質(zhì)的存在，也無法描述暗能量是個什么東西，不過，畢竟暗物質(zhì)和暗能量還沒有被正式發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型還不需要太“擔(dān)心”。
但人們并未滿足，反倒更為迫切地希望將標(biāo)準(zhǔn)模型拉下馬來，去尋找那些超越它的嶄新物理篇章?！皹?biāo)準(zhǔn)模型就是粒子物理學(xué)，”諾貝爾獎得主杰克·施泰因貝格說，“但很多問題目前仍無望回答?！?/p>
而消解這些難題需要新的物質(zhì)。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表現(xiàn)得基本上中規(guī)中矩，也許通向標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理新世界的鑰匙并不在它身上，而藏身于另一種粒子：中微子。
會“變臉”的精靈
中微子是宇宙中大量存在的一種不帶電的基本粒子，它和電子、夸克一樣，是宇宙的基本組成單元。
中微子的質(zhì)量極其輕，但穿透力極強，可以跨越洲際乃至星際，完成“超長途旅行”。實際上，每秒鐘都有上百萬個太陽中微子自由地穿透每個人的身體，加上其他來源的中微子，一秒之內(nèi)便有幾萬億個穿過人體。
以不同“味道”區(qū)分的3種中微子（電子中微子、繆子中微子和陶子中微子），就像是狡黠多變的精靈，它們在飛行的過程中會不斷變身，從一種味道轉(zhuǎn)變成另一種味道——在物理學(xué)的術(shù)語里，這被稱為“中微子振蕩”。這一奇妙的振蕩過程，攜帶著微觀世界的諸多奧秘。
中微子振蕩現(xiàn)象，是2002年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者美國科學(xué)家戴維斯于上世紀(jì)60年代首次發(fā)現(xiàn)的，它是目前唯一直接超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實驗結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)模型要求中微子的靜止質(zhì)量嚴(yán)格為0，它們要遵循輕子數(shù)守恒，不能相互轉(zhuǎn)變。但實驗卻發(fā)現(xiàn)，不同代的中微子之間是可以互相轉(zhuǎn)變的，這就是所謂的“中微子振蕩”。這種現(xiàn)象要求中微子具有質(zhì)量，因此超出了標(biāo)準(zhǔn)模型。
簡單地說，一個核反應(yīng)堆如果產(chǎn)生了100個反電子中微子，當(dāng)我們在1公里外觀測時，只能看到95個，另外5個轉(zhuǎn)換成了繆子中微子和陶子中微子。
打個形象的比方，假設(shè)中微子是一群普通青年，他們“十一”期間去郊游，到了目的地卻發(fā)現(xiàn)人只剩下1/3，其余2/3都消失了，這就是中微子丟失之謎。后來，人們發(fā)現(xiàn)普通青年沒丟，只是變成了文藝青年和2B青年，這就叫中微子振蕩。
解開反物質(zhì)消失之謎
目前，中微子是粒子物理的一個熱點研究領(lǐng)域，很有可能是下一代物理的突破點。我國在這個領(lǐng)域已處于世界前列：2007年，我國開始建設(shè)大亞灣中微子實驗，研究距離核反應(yīng)堆2km處的中微子振蕩；2012年3月，我國在全球首次測量到該振蕩模式。
中微字振蕩按照正弦和余弦的規(guī)律進行，三種振蕩的振幅已經(jīng)都被測量出來，不過還有兩種頻率尚未確定清楚。這是國內(nèi)外下一代中微子實驗的焦點，包括我國的江門中微子實驗，日本的HyperK實驗，美國的DUNE實驗，還有南極的IceCube實驗。如果這個頻率在未來十年能夠被測定，中微子振蕩的下一個問題就是CP破壞，也就是正反中微子的區(qū)別，這也許能解釋目前宇宙中為什么物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。
目前，關(guān)于中微子的研究都是基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的研究，尚未應(yīng)用于日常生活中，不過，正如中微子專家、亞太物理學(xué)會楊振寧獎得主曹俊所說：“400年前，丹麥科學(xué)家第谷仰望星空30年，積累了大量的天文數(shù)據(jù)，由他的弟子總結(jié)成開普勒三定律，這成為牛頓提出牛頓力學(xué)的重要依據(jù)。誰能想到，第谷天天盯著星星看而窺得的行星運動的奧秘，400年后成為我們修造高樓大廈、橋梁、飛機、汽車、發(fā)射飛船衛(wèi)星的根本？今天的科學(xué)將是明天的技術(shù)。從基礎(chǔ)科學(xué)研究到技術(shù)轉(zhuǎn)化，需要一代代科學(xué)家們的持續(xù)努力。”
就目前而言，中微子已經(jīng)成為天文學(xué)和地質(zhì)學(xué)的一種探測工具，超新星爆發(fā)會釋放大量中微子，地球內(nèi)部的核衰變也會釋放中微子，這些中微子，將成為研究天體物理和地質(zhì)的新工具。
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