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中微子传奇(上篇,4):(B)来自于粒子物理学家的切身感触
送交者:  2016年11月25日19:17:30 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

B)来自于粒子物理学家的切身感触;先说一点中微子常识

如前所述,一次超新星爆发通常意味着它在发出大量的光和热的同时,也会发出大量的中微子以及其它基本粒子;光子照例可以通过眼睛来直接观看,或者通常至少可以通过光学仪器如望远镜等来间接观看,但是中微子又该通过何种方式被探测呢?这似乎不是一个简单的问题:首先,经验表明,眼睛与光学仪器几乎肯定是对中微子无能为力了;其次,据说宇宙内总共有四种基本作用力——弱核作用力、强核作用力、电磁力以及引力,但不幸的是,中微子对这其中的后三种差不多是完全免疫的,因而能够有效发现或捕获中微子的也就只有一个弱核作用力了。不过,即便人类能够通过弱核作用力探测到中微子,那也不会是一个非常轻松的故事;事实上,中微子的奇特与飘忽不定甚至可能超乎你的想象,也正因为如此,在正式讲述粒子物理学家探测中微子的故事之前再深入介绍一点有关中微子的常识才显得尤其必要。

 

1、  难以置信的穿透能力

中微子不仅整体上呈现为一个电中性粒子,而且作为基本粒子,科学上尚未证明它拥有任何更微细的电、磁结构或性质,所以理论上它是完全不受电磁力影响的(18:这里采纳的是原始的弱核作用的直接接触论,而非现行的所谓的电磁力与弱核作用统一理论,其理由将在别处探讨;另,参见20);同时,中微子作为亚原子粒子有着极其微小的质量(以及体积),再加上它堪比光速的奇快的运动速度,这使得引力又常常对它无可奈何——在微观层面如此,在宏观层面甚至宇观层面也同样如此;再有,中微子也从不参与把质子、中子等牢固地粘连在一起且作用距离仅限于原子核之内的强核作用力;于是,宇宙内能够束缚或影响中微子的似乎也只有一个作用力相对较弱(19:已知的几种基本作用力的强度对比可以从其耦合常数大致反映出来;强核作用力:1;电磁力:10-2;弱核作用力:10-7-10-6;最后,引力在亚原子尺度上通常可以忽略)、作用距离同时又较小(20:如果把弱核作用力理解为直接接触,则其作用距离理论上为零;如果把它理解为电磁与弱核作用力统一理论的应用范畴,则其作用距离为10-17-10-16 m级,但仍然明显小于强核作用力的作用距离10-15 m级;引力与电磁力的作用距离理论上为零到无穷,但如前所说,在当前问题中它们对中微子的影响可以忽略)的弱核作用力了,而这所有一切也就决定了:中微子穿越任何物质障碍常常如入无人之境。

 

例一:仅仅是来自于太阳的中微子已经足以在地球附近造成每秒每平方厘米大约700亿个的流量;如果假定0.72 m2的人体正面投影面积,那么这意味着每秒钟可以有大约五百万亿的太阳中微子穿过你的身躯而你却丝毫没有觉知它们!(217*1010*0.72*104≈5*1014

 

例二(接例一):假定来自于太阳的中微子在进入你的眼球时可以被你直接观察到;进一步,假定这些中微子的平均能量为大约12 MeV22:这个数值与地球上某些中微子观测站所实际探测到的太阳中微子的平均能量值相当,但由于观测装置通常设置了诱发相关核反应的最低临界能量值,所以以上的假定数值可能低于太阳所发出的全部中微子能量的平均值)且完全对应于可见光,那么由于中微子极强的穿透能力,于是不管是白天还是黑夜,也不管是室内还是室外,你将不得不面对一轮光芒几乎总是如初且永不坠落的太阳(23:根据假设,全部太阳中微子所折合成的可见光亮度大约为12*106*1.6*10-19=0.1344 W/cm2,这个数值同太阳于地球附近的亮度常数0.1366 W/cm2相当;式子中的1.6*10-19为一个eV即电子伏特的能量所含的焦耳数)。

 

例三:超新星SN1987a的爆发方向虽然指向于南天球(24:天文上,天球是以地球的赤道所在平面为其赤道平面、以地球的南北极为其南北极方向、但其半径却可以大到任意数值的设想的球体;天球可以用来方便地确定一些天体的方位或距离),但是当时地球上所有的中微子探测器却都不幸地位于地球的北半球(的山下或地下:-)),这样,来自于SN1987a的光线是注定无法直接到达这些中微子探测器了,当然也无法被这些地方的天文学家所直接观察到;但不幸中的幸运却是,来自于SN1987a的中微子可以轻松穿越坚硬的地球而到达其预定的任何目的地。

 

2、  不可思议的变身能力

细心的读者可能注意到了,我们在初次介绍中微子时使用了一个带有下标e的符号νe来表示这个基本粒子,这意味着我们所说的是电子(electron)中微子,由于它在核子衰变时通常伴随着(正、负)电子的产生而产生,所以得名。那么世界上是不是还有其它种类的中微子呢?是的;截止于目前,理论上与实验上可以证实的中微子总共有三个种类,或者使用更专业的名字,叫做三种“味”(flavor);除了前述的电子中微子νe,还有μ中微子νμτ子中微子ντ,而后两种也分别在有关的核反应中产生。请注意,假如中微子的反粒子不是其自身的话,那么把中微子与反中微子算在一起也可以说总共有六种中微子。

 

自然界有三种不同种类的中微子,这当然算不上是什么稀罕事,至少对于见多识广者如此;但稀奇的却是,三种中微子的身份在适当的条件下似乎可以互相转化,比如电子中微子可以转化为μ子中微子或τ子中微子,而μ子中微子或τ子中微子据信也可以分别转化为其它的两种。中微子在不同的身份之间进行转换,这种现象又叫做中微子振荡(neutrino oscillation)。需要指出的是,中微子的这种身份转换能力乃是量子物理领域所特有的现象,这也是量子现象不可思议的又一证明吧(25:如果如常言所说的那样,“非常的结论必须以非常的证据来支持”,那么acarefreeman愿意对中微子变身一事持暂时的保留态度;不过这件事与我们这个科普系列的主要发现与核心结论无关)。

 

例一:当以质子为主体的宇宙射线(初级粒子)撞击地球的大气时会产生大量的π粒子与μ子(次级粒子),而这些次级粒子在衰变的过程中则会产生μ子中微子与电子中微子,计算表明,不管有多少宇宙射线入射地球大气,也不管有多少π粒子或μ粒子产生,但最终所产生的μ子中微子与电子中微子的大致比例,2:1,理论上却是一个相对不变的数值。但是直接的观测与实验却发现,实际的μ子中微子与电子中微子的比例数值,大约1.3:1,相比于理论值却小了很多;原来,一部分μ子中微子在穿越地球时悄悄改变了身份:它们因为变成了τ子中微子而成功地躲过了监视与探测,这就是有名的大气中微子异常问题及其解决思路。

 

例二:在全部三种中微子中,太阳内部的核反应据信只能生成电子中微子,但是长期以来地球上的中微子探测器所探测到的太阳中微子却明显地少于理论预测数值;原来,这些电子中微子中的多数在飞向地球的过程中悄悄地改变了身份:一部分化为了μ子中微子,另一部分转变成了τ子中微子,只有三分之一多一点的中微子保持了原来的本色——即电子中微子,这就是有名的太阳中微子异常问题及其解决思路。

 

例三:如果真像前述例一与例二所示的那样中微子的确能够变换身份,即所谓的中微子振荡问题是有严格实验根据的,那么这将意味着中微子一定具有非零的(静止)质量;但由于有关基本粒子的标准模型(The Standard Model)假定了中微子的(静止)质量为零,所以这个所谓的标准模型正有待被重新审视、质疑以及修正,事实上,当诺贝尔奖委员会决定把2015年的物理奖项授给解决了中微子振荡问题的来自于加拿大与日本的物理学家时,他们动摇的其实不只是作为现代理论物理大厦一个组成部分的标准模型或其一部分;他们动摇的恐怕还有这大厦的根基自身,对此我们将在本科普系列的稍后以及另外的科普系列中进行专门而详细的表述。

 

3、  被探测的基本方式

既然中微子具有难以置信的物质穿透能力与不可思议的变身能力,那么探测它就决非一件容易的事;话虽如此,物理学家也并非对此完全无能为力,事实上,如前所述,中微子至少还参与一种被称为弱核作用力的粒子之间的相互作用,而这正是目前地球上所有中微子探测器的核心原理与基本出发点。

 

那么探测中微子的具体物理机制到底如何呢?其实,所谓的中微子探测器其主体部分乃是装在容器内的大量的液态闪烁体(liquid scintillator)或者纯净的水,它们通常既能提供可与入射的反中微子发生核反应的自由质子,又能提供可与入射的各类中微子或反中微子发生弹性散射的电子;这也就决定了中微子或反中微子进入探测器后可以有两种基本方式被探测到:第一种方式是入射反中微子与自由质子发生核反应而生成中子与正电子(26:核反应式为νe +pèn+e+);第二种方式是入射的各种中微子或反中微子被电子所散射(27:反应式为ν +eèν+e’;其中加了撇(’)之后的字母代表了改变了方向或速度后的中微子或电子)。

 

那么物理学家又如何知道以上核反应或散射反应已经发生了呢?以纯净水中微子探测器为例,原来,这些反应中所释放出(或被撞击后)的电子或正电子由于其较高的能量以及超光速(28:这里是指超越水中光速的粒子运动速度)运动,它们能够发出一种叫做切连科夫辐射(Cerenkov radiation)的蓝色的光(29:既然某些高能粒子在水中或液体中可以超越那里的当地光速,那么为何当这些粒子在真空中运动时不可以超越真空中的光速呢?:-);请思考),而后这些光被密布在探测器各个侧壁上的光电倍增管(photomultiplier tube)所吸收,后者将其转化为电流(30:这里的原理依据为著名的光电效应)并放大,同时根据事先设定的最低临界能量值(大致相当于做出反应的光电倍增管的数目)而及时发出警示信息,或者打印出诸如入射粒子的能量、入射角度以及入射时间等信息。

 

需要指出的是,由于地球上所探测到的中微子可能有多个来源,如太阳内部的核反应、宇宙射线撞击大气以及各类恒星爆发等等,所以为了专门探测来自于某个特定的中微子源所发出的中微子,就需要把别的中微子源或其它干扰屏蔽掉,这也就是为什么中微子探测器常常被置于高山之下的缘故。

 

再次强调:由于本科普系列所关心的核心问题是中微子的运动速度是否超越光速的问题,因而本小节所列的一些原本属于不同性质的潜在争议不影响我们的主要发现与最终结论。

 

下一帖:粒子物理学家探测中微子的故事

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    你为啥会觉得中微子跟其他基本粒子有所不同?  /无内容 - 也是明眼人 11/27/16 (408)
      提个问题,是想支持原创一下啊  /无内容 - winedrop 11/27/16 (437)
        winedrop兄的苦心+好心我领了;请到新帖看你所问问题的 - acarefreeman 11/28/16 (415)
      觉得要说中微子“超”光速了, 纯好奇啊!  /无内容 - winedrop 11/27/16 (375)
  非常感谢,好文。幸苦了!  /无内容 - 色素 11/26/16 (420)
    不客气;请阅别处续帖。  /无内容 - acarefreeman 11/28/16 (334)
    之前你好像也贴过一次你对相对论的质疑吧?最好区分开自己的观点  /无内容 - 第一次哦 11/25/16 (393)
    谢谢,能否最后贴全文?能否把物理学界观点和你的观点分开讲?  /无内容 - 第一次哦 11/25/16 (407)
        先休息一会儿,88。  /无内容 - acarefreeman 11/25/16 (361)
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