暗物质的候选粒子——中微子之谜
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-- 本文应广东省化州市下郭区珠台路2-8号 陈景旺 读者的要求而编写。他
提的问题是 l‘‘我想了解·下中微子是-一种什么粒子 ’!。。 _ _
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暗物质 的候选粒子
◆ 杜 仲/文
发现过去未知的事物,总是让人很激动,li~1:120
世纪末发现暗物质的存在。天文学家经过多年观测,
发现发光星体的质量只占整个宇宙总质...
羹 _j叠--一 一_ i■ 誊譬 _ _: ■“_ 一 一 ■ 。耍誊乏 一 一 一 譬 要一 一
-- 本文应广东省化州市下郭区珠台路2-8号 陈景旺 读者的要求而编写。他
提的问题是 l‘‘我想了解·下中微子是-一种什么粒子 ’!。。 _ _
一 一 — l 0. ... . l一 一 一 一 叠 一 一 立 ▲ 一 一
暗物质 的候选粒子
◆ 杜 仲/文
发现过去未知的事物,总是让人很激动,li~1:120
世纪末发现暗物质的存在。天文学家经过多年观测,
发现发光星体的质量只占整个宇宙总质量的很小一部
分,而大部分质量都属于不发光的暗物质!可是这种神
秘的暗物质是由什么粒子构成的,他们却一无所知。
多数物理学家猜测,中微子是构成暗物质的最可能的
候选粒子。
这就好比是 “用小洞堵大洞一~毫不中用”。因为
中微子本身也是一种神秘之物,还有大量的谜团未被
解开。解开了这些谜团,暗物质之谜说不定也不解自开
了。所以,我们还是先了解—下中微子的来龙去脉吧。
窃取能量的 J, ’
中微子号称宇宙间的 “隐身人’。这是因为中微子
个头小,不带电,几乎不与任何物质发生作用,具有极
强的穿透力,要捕捉它非常不容易。比如,Ioo~个中
微子穿越地球直径那么厚的物质,只有1个会与物质
发生反应。所以,尽管宇宙中充斥着大量的中微子,但
从预言它的存在到发现它,科学家还是颇费了一番周
折。
要说中微子,
就 不 得 不 提它 的
“老大哥”一一 中
子。上世纪20年代,
科学家发现中子在
衰变成质子和电子
布广泛,而且还有若干种类
中 微 子 之 谜
的时候,能量会出现亏损。亏损的能量到哪里去了?丹
麦物理学家玻尔甚至断言,衰变过程中能量守恒定律
失效了。
玻尔在物理学界以思维大胆独特著称,可是当他
提出能量可以不守恒时,许多物理学家难以接受。这
时,奥地利物理学家泡利提出坚持能量守恒定律的一
种解释:在中子衰变的过程中,能量守恒定律仍然有
效,能量亏损的原因是中子在衰变过程中变成了质子
电子和另一种质量很小的、没有被探测到的中性粒子,
正是这种小质量粒子将能量带走了。
泡利预言的这个窃走能量的 “小偷”就是中微子。
这个解释暂时让大家松了一口气,但在没有探测到中
微子之前,物理学家的心头终究还是蒙着一层阴影。
1952年,美国科学家终于证实了中微子的存在,它现了
原形 。
中微子“变形记”
俗话说 “摸到了线头儿,就抽到了线球儿’’。自从
确认有这么一种与物质相互作用极弱的中微子存在之
后,科学家发现,中微子其实不止1种,而是3种 (分别
为电子中微子、 中微子和T中微子)。那么中微子是
否还有更多种类未被发现呢?根据上世纪9O年代在欧
洲核子中心正负电子对撞机上的实验结果,中微子最
多只有这三类,所以该找到的都已找到了。
中微子虽然很难探测,但其实在宇宙空间中大量
存在,估计每立方厘米就有100个。它们大多是在宇宙
大爆炸早期元素合成的过程中产生的。比如,每4个质
子合成1个氦原子核的过程中,就有2个中微子产生。这
星际交流 因为我存在,所以我思考。
48 大科技读者 我若为王
个元素合成的过程至今依然在太阳上每时每刻发生,
所以今天的太阳对我们来说是身边最大的中微子源。
关于太阳中微子,上世纪发生过重大的 “失窃”
案:科学家发现,在地球上探测到的中微子数量,远远
小于按照
的太阳模型计算出的中微子数量!这个
谜维持了30多年,直~I]1998年才告破。原来,中微子虽
然有三兄弟,但它们之间却可以变来变去,就像 西游
记 里的白骨精一样,一会儿变成少女,一会儿变成老
妪,一会儿又变成少妇。在物理学上,这叫 “中微子震
荡”。原来,从太阳来的中微子到达地球时,一部分已
经变成了另两种中微子,可是地球上的中微子探测器
是专为探测一种中微子定做的,所以那部分发生变化
了的中微子自然就探测不到,“失踪”了。
中微子有无“肉身”?
“中微子震荡”不仅证明了三类中微子之间可以
相互转化,而且还证明了中微子是有静止质量的,因为
没有静止质量,这种震荡就不会发生。而此前的中微
子理论一直认为中微子的静止质量为零。 ‘
中微子有静止质量,正是这一点使人们把它跟暗
物质联系了起来。因为暗物质占了宇宙中物质能量总
和的23%,如果中微子连静止质量都没有,那当然就不
可能成为构成暗物质的候选粒子。
那么中微子的静止质量到底有多大呢?最常见
的一类中微子的质量在17电子伏特到41电子伏特之间
(你可以比较—下,在有静止质量的粒子中,除了中微
电子的质量是最小的,但也有0.511×10。电子伏特,
而中微子的质量是它的万分之一。两者之比,就好比一
粒米与半斤重的苹果之比)。第二种中微子的静止质量
不大于0.25×10。电子伏特,第三种中微子的静止质量
不大于8.4×i0 电子伏特。不要以为后两类中微子的静
止质量相当大,事实上,因为中微子的实验非常难做,
所以精度很低,只能给出一个很高的上限值,并不意
味着它们真有这么大的质量。
中微子的质量这么小,为什么还能成为暗物质的
候选粒子呢?我们知道,普通物质是由质子、中子等粒
子构成的,这些粒子叫重子,因为它们的质量相对来说
探测中微子的设备非常庞大,而且为了
排除其它粒子的干扰,还要深埋在地下
比较大。重子虽然在我们周围密度很大,但你要知道,
在宇宙的大部分空间里,它们是不存在的。所以,假如
把宇宙中所有的重子一平均,它们的平均密度其实是
非常小的。而对于中微子,它们几乎均匀地分布在整个
宇宙中,哪怕它的静止质量只有3电子伏特,它的质量
密度也比重子大4N13倍。所以精确测量中微子的静止
质量,对于解开暗物质之谜是很关键的。
· 中微子之谜还与宇宙中另一个重大问题有关:宇
宙大爆炸之初,物质和反物质的比例应该是相等的,可
是我们现在的宇宙是由物质构成的,那么,大量的反
物质到哪里去了呢?也许中微子能告诉我们一些线索
吧。
你瞧,这么一个性情孤僻、微不足道的粒子竟然
与整个宇宙的历史和未来的命运联系在一起,小块头
也有大贡献呢!④
电子伏特:
电子伏特是粒子物理学中常用的能量单住,代表
一 个电子经过1伏特的电场加速后所获得的动能。因为
质量与能量可以通过质能方程互相转换,所以在粒子
物理学中也常用做质量单位 ,l电子伏特=1.6 x 1O ’焦
耳。
星际交流 为真理奋战
大科技读者 叶云 49
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