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中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)

(2013-06-09 20:49:26)
标签:

杂谈

泡利

中微子

反应堆

衰变

   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)

       微观世界的本粒子家族成员,犹如梁山英雄好汉一般,身怀绝技,功夫了得。其中尤以中微子最为神奇,它象幽灵一样神出鬼没,来去无踪,它可穿透地球这样的星体而不留下任何痕迹。就是这奇异的粒子,近些年来引起科学家们极大关注,因为在它身上存在很多迷团还未揭开,而中微子迷团的突破可能预示着宇宙和物质世界重大发现!在讲述中微子故事之前,有必要将中国科学家最近在中微子领域的重大突破作个简述:
   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
          大亚湾中微子实验首席科学家王贻芳作相关学术报告

       2012年,历史将会铭记,炒得沸沸扬扬的世界末日,让地球人忐忑不安,但末日并未降临。相反,却在科学上出现了两项重大突破.其一,“上帝的粒子”终于现身,欧洲核子研究中心发现了寻找四十多年的希格斯玻色子。(请参看本博曾发表过的相关文章)其二,中国科学家发现了中微子第三种振荡模式。这是在去年3月8日,中科院召开的新闻发布会上宣布的。以大亚湾中微子实验站首席科学家,中科院高能物理研究所所长王贻芳领的科学实验团队,在大亚湾中微子实验探测中发现中微子新的振荡模式,相关论文在美国《物理》杂志上发表。这一成果得到世界物理学界的普遍关注和赞誉,世界顶尖的物理学家和研究机构都发来贺电,认为解决了困扰物理学界多年的sin22θ13精确测算问题。同时中微子第三种振荡的发现为揭开宇宙中反物质消失之谜开辟了道路!这一成果被美国权威杂志《科学》评选为2012年度十大科学突破。请看,美国《科学》杂志的年度评语是这样写的:“如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来,大亚湾中微子实验的结果可能标志着这一领域起飞时刻!”
   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
            大亚湾中微子实验站置于水中的中微子探测器

     接下来我就开讲中微子的故事,首先来看中微子有那些特性:中微子是不带电的中性粒子,用希腊字母ν表示.中微子非常非常之轻,其质量相当于电子质量的百万分之一以下,它的自旋为1/2,中微子几乎不和任何物质发生反应,它仅受弱相互作用力和引力。它有极强的穿透本领,可穿越任何固体物质,不留下任何痕迹和影响,且穿越速度几乎达到光速。在宇宙中,中微子可说无处不在,从大到太阳,恒星,宇宙射线,小到核反应堆,都在产生着中微子.人眼每秒通过的中微子多达上亿!可我们却观测不到它。真可谓来去无踪。

      那么中微子是如何发现的呢?说到中微子的发现过程,还经历了一段漫长时日。1930年奥地利物理学家泡利在研究β衰变时发现,核内中子在β衰变中转化成一个质子和一个电子,却消失了一部份能量,违反了能量守恒定律。被誉为哥本哈根学派鼻祖的物理学家玻尔认为能量守恒定律在此消失。而泡利经过深思熟虑后,却不这样认为。1931年,在意大利罗马召开了世界物理学大会,当时世界上顶级科学家均出席了会议。泡利在会上提出了大胆预言:在β衰变中除产生一个质子和一个电子外还应有一个质量极微小的中性粒子,正是这个粒子“偷”走了消失的那份能量,能量守恒定律并未失效。泡利用严谨的理论和数学推导证明存在这样一种粒子。尽管还未观测到!后来科学家将其取名为“中微子”。

      这里有必要介绍下泡利,他1900年出生在奥地利,是位杰出的物理学家,也是量子力学创建人之一,他提出的“泡利不相容定律”广泛应用于量子力学和核物理学领域,为此泡利获得1945年度诺贝尔物理奖。泡利是个治学严谨,心胸坦荡,直言不讳之人,他在学术上容不得一点点疏漏和瑕疵,无论出在任何地方和任何人身上,他都会毫不留情提出,且近乎尖刻。有次泡利座在后排听爱因斯坦讲课,课完后,大胆提出不同观点,让爱因斯坦括目相看。当时在欧洲学术界有个笑话叫“泡利效应”凡泡利所到之处,无伦是做实验或写学术论文的人都会出错!二战结束的1945年泡利来到美国工作,并加入美国藉。1952年在美国病逝,结束了他光辉而短暂的一生。

   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
           美藉奥地利物理学家,诺贝尔奖获得者泡利
   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
               量子力学哥本哈根学派三巨头:玻尔,海森泊,泡利

      尽管泡利预言了中微子的存在,但泡利本人都不相信能观测到中微子!从实验上观测证实中微子存在,经历了漫长的岁月。那是由于中微子的特性决定了它非常难于发现。 1941年,就职于浙大的中国核物理学家王淦昌在美国《物理评论》杂志上发表了“关于探测中微子的一个建议”论文,事隔十年,1952年。,美国科学家艾伦和罗德巴克合作,参照王淦昌的建议方案,采用“电子俘获”方法,间接证实了中微子的存在。王淦昌是我国著名的核物理学家,早在1959年因发现“反西格马负超子”而闻名于世界物理学界。他也是我国两弹一星研制的元勋之一。

   中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
      中国著名核物理学家王淦昌(1907——1998)

  中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
  
     美国物理学家,诺贝尔物理奖获得者莱因斯

  中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
       美国物理学家,诺贝尔奖获得者莱德曼

     1956年,美国科学家莱因斯,利用核反应堆存在大量β衰变从而产生大量中微子束的特点,精心设计一个捕捉中微子与质子发生相互作用后能产生频闪的装置,直接观测到了中微子的存在。在此值得注意的是,中微子几乎不和任何物质发生作用,但并非绝对不发生作用!
中微子和其他粒子发生作用的概率为十亿分之一,莱因斯非常巧妙地应用了这一特点。至此,泡利预言中微子以来,时隔25年后,中微子终于找到了.莱因斯也因此获得1995度诺贝尔物理奖。

  中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
            大亚湾中微子实验站发现中微子第三种振荡模式的探测器
  中微子的故事一一在扑朔迷离中孕育着重大发现(一)
                     中微子留下的轨迹
     自证实中微子存在以后,科学家们关注的是中微子到底有没有静止质量?中微子只有一种形态还是有几种不同形态(种类)以及中微子的飞行速度是多少等问题。1962年美国科学家莱德曼,舒瓦茨和斯坦伯格发现了第二种中微子,被称为缪中微子(μ)。三位科学家因此项发现,分享了1988年度诺贝尔物理奖。2000年,美国国家费米实验室,发现了第三种中微子——陶中微子(τ)至此,人们知道了中微子有三种类型,分别是:e中微子,μ中微子,τ中微子。

 

、    文章过长,易引发视觉疲劳,故将本文分两部份发表,下篇将讲述中微子的三种振荡模式,中微子能超光速吗?中微子未解迷团和未来前景。感兴趣的网友请多加关注!)

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