【中微子幽灵】手性中微子幽灵

2019-12-28 - 中微子

按照轻子数守恒定律,在粒子的衰变或者相互作用过程中,轻子数Le、Lμ和Lτ是分别守恒的,就是说每一代轻子数在相互作用过程前的总和等于相互作用过程后的总和。例如,在中子衰变中,衰变前没有轻子,只有中子,它是重子,其轻子数为0,所以衰变前的轻子数总和为0 ;衰变后产生质子、电子和电子反中微子,质子的轻子数为0,电子的轻子数是 1,反中微子的轻子数是-1,它们的轻子数总和等于0,所以衰变前、后轻子数总和都是0,即电子轻子数Le是守恒的。

中微子幽灵

在图6.16中,μ子可以衰变成电子、电子反中微子和μ子中微子。衰变前电子轻子数等于0,μ子的轻子数是1,衰变后电子和电子反中微子的轻子数之和等于0,μ子中微子的轻子数是1。在整个过程中,衰变前电子轻子数是0,衰变后电子轻子数也是0 ;衰变前μ子轻子数为1,衰变后μ子轻子数也为1,所以每一代的轻子数也是分别守恒的。再如,中微子和中子发生相互作用时有以下反应:

中微子幽灵

在第一个反应中,电子中微子和中子作用后产生质子和电子,反应前、后电子轻子数均为1,所以电子轻子数Le守恒。在第二个反应中,μ子中微子和中子作用后产生质子和μ子,反应前、后μ子轻子数均为1,所以μ子轻子数Lμ守恒。由于不同代的轻子数分别守恒,所以电子中微子和中子作用后不能产生质子和μ子,μ子中微子和中子作用后也不能产生质子和电子。

中微子幽灵

轻子数守恒定律也是手性中微子质量等于0的必然结果。因为如果中微子的质量不是0,则它的速度就低于光速,观察者就可能赶过它而把左旋中微子看成右旋中微子,而右旋中微子只能是反中微子,于是中微子的轻子数就会由 1变为-1,这就违反了轻子数守恒定律。

因为每一代轻子数是分别守恒的,所以μ子中微子不能衰变成电子中微子,τ子中微子也不能衰变为电子中微子或者μ子中微子,即不同味道的中微子不能相互转变,它们都是稳定粒子,这是手性中微子的第三个重要特性。

中微子是轻子,所以它不和其他粒子发生强相互作用。中微子是不带电的中性粒子,所以它不和其他粒子发生电磁相互作用。中微子的质量为0,所以也不和其他粒子发生引力相互作用。中微子和其他粒子只发生弱相互作用。手性中微子的这种奇异特性使它与其他各种粒子和原子核发生碰撞或散射的机会极少,在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此它几乎能够不留痕迹地穿过人体、建筑物,甚至月球、地球和恒星等任何物质,从而具有极强的穿透力(图7.

1)。

中微子的超强穿透力引发科学家设想出一些可能的实际应用,如有人提出中微子通信的设想。现在的通信是用电磁波作为载体,沿着地球表面的弧线传播的,而且由于地球表面建筑物和地形的遮挡,还要经过通信卫星和地面站的接力传递。

但中微子通信是穿过地球沿着两点之间的直线距离传播的,无须复杂的卫星和微波站,所以它不但没有能量损耗和污染,而且更快捷安全。还有人提出可以用中微子地球断层扫描的方法探寻地壳中的矿藏,就像医院用X射线对人体进行CT扫描那样,用高能量(1 000 GeV以上)中微子束对地层进行逐层扫描。

中微子与物质发生相互作用能产生小范围的“地震”,类似于地震法勘探,可以测量出不同地层的密度和化学成分,进而探知地层中的石油等矿藏,还可以做地震、海啸预报等。用中微子探测器还可以监视核反应堆的运行,防止恐怖分子窃取堆芯核燃料。

对中微子的手性和实际应用的任何研究都必须建立在对它的探测上。但是,由于中微子的穿透力极强,它与其他物质的作用概率极小,一切物体对它而言几乎是透明体,它来无踪、去无影,成了不可捉摸的“隐身人”“鬼粒子”。

因此,在实验上捕捉和探测中微子实在是太难了。例如,若要观测衰变过程产生的中微子,就需要在它的路径上放置几光年长的导线。正因为如此,在所有基本粒子中,人们对中微子了解得最晚,知道的也最少。如果中微子不重要也就算了,可是它偏偏非常重要,不仅在微观的粒子物理中起着重要作用,而且在宏观的宇宙起源及其演化中也扮演着极为重要的角色。

例如,中微子可能与宇宙中反物质消失之谜和暗物质的本质有关,它甚至还有重要的实际应用价值。这迫使科学家们不得不花大力气去捕捉这个无所不在,而又不可捉摸的幽灵粒子。

中微子是为了解释β衰变中的能量守恒问题提出来的。1898年卢瑟福发现β衰变后,物理学家用了几十年的时间才确定β粒子的能量是连续分布的,即β粒子的能量可以是0到某一最大值之间的任何值。然而,这个结果是违反能量守恒定律的。

因为衰变前原子核的能量是确定的,衰变后原子核的能量也是确定的,所以根据能量守恒,β粒子的能量和衰变后原子核的能量之和应该等于衰变前原子核的能量,即β粒子的能量也应该是确定的,而不是连续分布的。连续分布的β粒子能量有大有小,当β粒子的能量比较小的时候,β粒子的能量和衰变后原子核的能量之和就会小于衰变前原子核的能量,按照能量守恒定律,这意味着有一部分能量无缘无故地不翼而飞了。

为了“拯救”能量守恒定律,物理学家泡利在1930年预言:β衰变在放出β粒子的同时还会放出一种不带电的、质量极小或为0的中性粒子。1933年,费米进一步研究了这一预言,并把这种中性粒子称为中微子。

根据中微子假设,中微子正是盗走能量的“小偷”。作为一种粒子,中微子必然具有能量,并且它的能量也可以连续分布。当β粒子的能量较低时,中微子的能量则较高;当β粒子的能量为0时,中微子的能量达到最大值。反之,当β粒子的能量较高时,中微子的能量则较低。

这样,衰变后原子核、β粒子和中微子的能量总和是一定的,并且等于衰变前原子核的能量,所以能量是守恒的。当β粒子的能量达到最大值时,它与衰变后原子核的能量之和接近于衰变前原子核的能量,此时中微子带走的能量几乎等于0,实际上就等于它的静止能量。

按照相对论,静止能量与质量直接相关,所以几乎等于0的静止能量必然对应几乎等于0的质量,即中微子的质量很小,甚至等于0。

由于中微子极难探测,所以在很长时间里,实验上一直没有发现这个神秘莫测的幽灵,难怪泡利感叹地说他犯下了一个物理学家可能犯的最大错误,竟然预言了一个无法证实的粒子。直到26年后的1956年,美国洛斯阿拉莫斯实验室的克莱德·柯万和弗雷德里克·莱因斯才探测到核反应堆产生的电子反中微子,这是人类历史上第一次捕捉到中微子这个幽灵。

40年后,莱因斯为此荣获1995年的诺贝尔物理学奖,柯万因已于1974年去世未能获奖。

1962年,美国物理学家利昂·莱德曼、梅尔文·施瓦茨和杰克·斯坦博格发现了第二代中微子——μ子中微子,他们共同分享了1988年诺贝尔物理学奖(图7.2)。2000年,美国费米实验室证实了第三代中微子——τ子中微子的存在。

总之,在标准模型中,中微子是不带电的手性粒子,它遵守轻子数守恒定律,它必须以光速运动,具有极强的穿透力,并且它们之间也不能相互转变。然而这一切的大前提是中微子的质量为0。这样,中微子的手性问题也就是中微子的质量问题。

如果中微子的质量是0,则中微子是手性的,如果中微子的质量不为0,则它也就不一定是手性的。中微子究竟有没有质量,这是中微子手性的试金石。人们不相信,或者不愿意相信自然界真的存在质量严格为0的粒子,就连大统一理论也都预言了中微子是有质量的。

已经知道质量为0的粒子是光子,但光子在本质上是电磁辐射,而中微子是实物,除中微子外,人们还从来没有见过质量为0的实物粒子。中微子的质量真的是0吗?这个问题一直困扰着物理学家。随后出现的中微子失踪之谜进一步加深了人们的猜疑:或许中微子不是手性的,它是有质量的,只是它的质量很小,目前的实验手段还测量不出来吧?

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