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物理学家正在寻找最奇怪的幽灵粒子

2019-1-14@艾米 0 评论

物理学家正在寻找最奇怪的幽灵粒子

无时无刻,你都会受到数万亿次从太空深处喷射下来的亚原子粒子的轰击。它们以宇宙飓风的力量穿过你,以近乎光速的速度爆炸。在白天和黑夜的任何时候,它们从天空中四起。它们像黄油一样穿透地球的磁场和大气层。

然而,你头顶上的头发甚至没有褶皱。

这是怎么回事?

小而中性的

这些微小的子弹被称为中微子,这一术语于1934年由杰出的物理学家恩里科·费米创造。对于“小而中性的”而言,这个词含糊不清,而且他们的存在被假设为解释一个非常奇怪的核反应。

有时候元素感觉有点……不稳定。如果他们长时间独处,他们会分崩离析并将自己变成别的东西,比在周期表上更轻一点。另外,会弹出一点电子。但在20世纪20年代,对这些衰变进行仔细细致的观察发现了微小的,琐碎的差异。过程开始时的总能量比输出的能量稍微大一点。数学上没有加起来,奇怪!

因此,一些物理学家捏造出一种全新的颗粒。能带走缺失能量的东西。一些小的、轻的,没有电荷的东西。一些可能会在不被人注意的情况下从探测器中溜走的东西。

一个小的,中性的:中微子。

花了几十年才确认它们的存在 – 它们是多么的滑溜和狡猾。但在1956年,中微子加入了已知经测量的,并已确认的粒子群。

然后事情就变得很奇怪了。

最喜欢的味道

随着μ子的发现,麻烦开始酝酿,在中微子的想法开始取得进展的20世纪30年代,μ子几乎完全像一个电子。相同的电荷,相同的旋转。但它在一个关键方面有所不同:它比它的兄弟电子更重,质量超过200倍。

μ子参与自己特殊的反应,但不会持续太久。由于它们令人印象深刻的体积,它们非常不稳定并且很快衰变成较小位的淋浴(这里“快速”意味着在一微秒或两微秒内)。

这一切都很好,为什么会出现在中微子的故事中呢?

物理学家注意到,表明中微子存在的衰变反应总是有一个电子弹出,而不是一个μ子。在其他反应中,μ子会弹出,而不是电子。为了解释这些发现,他们推断中微子总是与这些衰变反应中的电子相匹配(而不是任何其他类型的中微子),而电子、μ子必须与尚未被发现的中微子配对。毕竟,对电子友好的中微子无法解释μ子事件的观察结果。

所以狩猎继续进行。直到1962年,物理学家终于锁定了第二种中微子。它最初被称为“中微子”,更理性的称为 μ子中微子 占了上风,因为它总是与μ子的反应配对。

道之路

好的,两个确认的中微子。大自然给我们准备了更多的东西吗?1975年,斯坦福线性加速器中心的研究人员勇敢地筛选了大量单调的数据,以揭示更灵巧的电子和厚重的μ子之间存在更重的兄弟:笨重的tau,以高达电子质量的3500倍计时,那是个大颗粒!

所以问题立刻就来了:是否有一个由三类粒子组成的家族,电子,μ子和tau……可能会有第三类中微子,与这个新发现的生物配对?

也许是,也许不是。也许只有两类中微子。也许有四类,也许更多。大自然以前并没有完全达到我们的期望,所以现在没有理由开始。

几十年来,物理学家们一直在使用各种实验和观察结果来证明存在第三类中微子。但直到2000年的千禧年,才在费米实验室进行了一项专门设计的实验(对于NU Tau的直接观察而言,幽默地称为DONUT实验,不,我没有做到这一点)才得到足够的证实和目击,正确地宣称检测。

追逐鬼魂

那么,为什么我们如此关心中微子?从第二次世界大战到现代,我们为什么要追逐他们超过70年?为什么几代科学家对这些小而中性的科学如此着迷?

原因是中微子一直超出我们的预期。很长一段时间,我们甚至不确定它们是否存在。很长一段时间,我们确信它们完全没有质量,直到实验令人烦恼地发现它们必须具有质量。究竟“多少”仍然是一个现代问题。中微子有令人讨厌的习惯,即在他们旅行时改变角色。这是正确的,当一个中微子在飞行中旅行时,它可以在三种口味中切换面具。

甚至可能还有一个额外的中微子没有参与任何常见的相互作用 – 这就是所谓的无菌中微子,物理学家们正在寻找它。

换句话说,中微子不断挑战我们对物理学的所有了解。而如果我们在过去和未来都需要一件事, 那这就是一个很好的挑战。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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