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盘点八个著名中微子实验 无一能真正挑战相对论

http://www.kexue.com 2012-03-13 09:30:27 新浪科技  发表评论

  北京时间3月13日消息,据国外媒体报道,许多人都听说过著名科学家爱因斯坦的一个论断,即光速不可超越。然而,意大利OPERA实验室科学家于去年末曾经通过实验得出结论认为,微中子可能快过光速,这一结果似乎颠覆了多年来被大多数人奉为权威的爱因斯坦理论。尽管后来证实,这一结果是由于实验环节出现误差而得到的,可能并不正确,但是这也证明了科学未知领域的复杂性和神秘性,尤其是微中子领域。

  纵观历史上所有的微中子实验,似乎都取得了一度振奋人心的结果,但并没有得到能够真正挑战爱因斯坦相对论的实质结果。尽管实验结果仍然令科学家迷惑不解,但也解决了不少理论上的谜团和难题。以下就是历史上著名的中微子实验:

  1. 日本Super-Kamiokande中微子实验

日本Super-Kamiokande微中子实验日本Super-Kamiokande中微子实验

  中微子是一种极其微小的基本粒子。对于宇宙中的每一个质子或电子来说,可能都至少有10亿个中微子。科学家们需要弄清楚,中微子究竟是如何工作的,因为它们与物理学许多领域都存在紧密联系。这种无处不在的粒子从宇宙大爆炸后几毫秒内就开始存在,在元素的放射性衰变中、恒星的核反应中以及超新星爆炸过程中都会产生新的中微子。

  美国费米实验室“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说,“它们是宇宙中的一种主要粒子,但我们至今对其知之甚少。”中微子之所以难以理解,主要原因在于它们几乎不能与其他物质结合。与常见的电子不同的是,中微子没有电磁电荷;它们质量非常轻,以致于科学家们长期以来一直认为它们根本没有质量。探测它们需要紧密监测一大容器物质(如水),中微子撞击到其他粒子时,会产生可观测到的变化。如,本图所示的是日本Super-Kamiokande中微子实验环境,研究人员正坐着一艘小船行驶于其中。这个探测器由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成。

  2. β衰变

 β衰变β衰变

  科学家们最早是在β衰变过程中开始关注这种微型粒子的。20世纪初,研究人员注意到β衰变中的一些奇怪现象。如果释放出来的粒子只有电子,那么β衰变这个过程似乎违背了物理学定律,即能量守恒和动量守恒。当时没有人知道为什么会出现这种现象。然而,在每个新实验结果中,违背物理学定律的证据变得越来越有力。20世纪30年代,物理学家沃尔夫冈-保罗开始怀疑,核衰变过程可能比此前认为的更复杂。如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物,那么这些违背物理学定律的矛盾就迎刃而解了。这种所谓的其他事物,应该就是中微子。但是,如果中微子存在,它们必须非常轻,而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒子,也没有人想到较好的办法去发现它们。在相当长一段时期内,科学家一直认为探测中微子是不可能的。

  3. 发现中微子实验

发现微中子实验发现中微子实验

  1956年,研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内,美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。许多研究人员认识到,这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子,因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合,但是也存在一种微弱的可能性,即存在足够多的物质,一个中微子应该可以撞击到某种事物。

  在β衰变的反过程中,这种直接撞击可以产生伽马射线。当时,物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近,只要反应堆开启,他们的实验就有可能首次探测到中微子。虽然科万于1974年就已去世,但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。本图所示内容为,两位科学家宣布发现中微子的电报。

  4. 加拿大萨德伯里中微子实验

加拿大萨德伯里微中子实验加拿大萨德伯里中微子实验

  几乎所有的中微子都产生于太阳内部巨大的核反应堆中。天文学家希望能够捕获这些中微子,因为它们之中包含有太阳内部的重要信息。1964内,物理学家雷-戴维斯和天文学家约翰-巴卡尔在美国南达科塔州的霍姆斯塔克矿中建立起一个实验环境用于发现这些中微子。这种探测器需要建于深深的地下,是因为闯入地球大气层的宇宙射线可能会干扰实验结果。

  在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后,研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们的计算,太阳的中微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此,科学家们从头再来,试图寻找计算过程中的错误和漏洞,并更正估算结果。但是,他们仍然无法发现自己错在哪里。霍姆斯塔克实验运行了30多年,总是得出同样的结果。天文学家怀疑自己的太阳模型可能是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时,研究人员发现了中微子其实有三种不同的类型,β衰变过程中或太阳内部产生的中微子是电子中微子,而其他过程中产生的粒子则是缈子中微子与涛中微子,霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。在从太阳飞往地球的过程中,电子中微子会转变成其他类型。因此,霍姆斯塔克实验就无法探测到其他两种中微子。

   随着新探测器的出现,三种中微子都被探测到,那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此前,一些科学家认为中微子没有质量,而不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质量。2001年,加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所有三种来自太阳的中微子。

   5. IMB探测器

IMB探测器IMB探测器

  上世纪80年代,科学家被一个与中微子无关的问题所困扰。一些理论家认为,被公认为稳定的粒子--质子应该可以衰变成更轻的亚原子粒子。如果这一说法正确,那么这将是物理学家长期以来梦寐以求的结果,从而可以形成一个统一的理论,将电磁作用力、强作用力和弱作用力理论融合在一起。如果质子会衰变,这将会对地球上的生命造成很大的麻烦,人体内的原子可能混乱地转变成其他元素。因此,理论家认为,质子可能会衰变,但速度极为缓慢,时间表甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。

      为了验证这一结论,科学家们在一个盛满水的大容器中监测质子的数量。为了保证实验不受干扰,实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微子,这些中微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像一个衰变的质子,因此研究人员需要弄清楚他们可能会看到多少中微子。在测量过程中,科学家们发现了非常怪异的现象。来自实验环境以上的中微子要远远多于下部抵达的中微子,比例大约是2:1。历经10年的困扰,科学家们终于发现,中微子在飞行过程中,来自地底的中微子有时间转变成不同类型的中微子,由于实验设备只对一种中微子敏感,因此就错过了发生变异的其他中微子。这一发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。

      本来用于探测质子的实验,发现了中微子的重要特征。相反,直到今天,仍然没有人能够发现质子衰变。本图所示,一名潜水员在俄亥俄州的IMB探测器中游泳。这个探测器建造于上世纪80年代初,本来用于探测质子是否衰变,反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。

   6. 液体闪烁器中微子探测器实验

液体闪烁器微中子探测器实验液体闪烁器中微子探测器实验

  1993年,科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验室中建造了液体闪烁器中微子探测器。他们的目标就是弄清楚中微子是否能够从一种类型转变成另一种类型。液体闪烁器中微子探测器的著名之处在于它发现了电子反中微子。对于这一怪异的发现,最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微子探测器的发现表明可能存在第四种或更多类型的中微子。第四种中微子的存在将对现有的粒子物理学模型发起巨大的挑战,但它也可以用来解释某些未解谜团,如超新星爆炸的细节等。不过,许多研究人员仍然对液体闪烁器中微子探测器的发现持怀疑态度,这一发现又成为中微子物理学中的一大谜团。本图所示,一位物理学家蹲在液体闪烁器中微子探测器中。

  7. 迷你升能器中微子实验

迷你升能器微中子实验迷你升能器中微子实验

  从2002年起,美国费米实验室科学家开始启动新的探测实验--“迷你升能器中微子实验”,该实验的目的就是证实或否定液体闪烁器中微子探测器实验的发现成果。他们最初的结果似乎证明液体闪烁器中微子探测器实验结果有误,但是进一步的实验数据发生了变化。“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说,“现在看起来,迷你升能器中微子实验与液体闪烁器中微子探测器实验的结果是一致的。”两大实验的结果表明,仍然存在许多怪异现象。中微子科学家们需要建造更多的探测器和实验设施去解答这些谜团。本图所示场景为迷你升能器中微子探测器的墙壁。

  8. 长基线中微子实验

长基线微中子实验长基线中微子实验

  为了完全揭开中微子之谜,科学家们需要新一代的探测设备。美国科学家们希望能够获批建造长基线中微子实验设施,他们通过这一实验或将能够回答一个深奥的问题:宇宙为什么是由物质组成的,而不是反物质。这一设施将产生世界上强度最高的中微子束,并将它从美国费米实验室发送到南达科塔州的霍姆斯塔克矿中。尽管这一实验设施尚未正式获得批准建设,但该实验已吸引了400多名科学家签约加盟。本图所示为长基线中微子实验示意图。(彬彬)

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