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1、歷史上八個(gè)著名的中微子實(shí)驗(yàn)據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,2011年年底,意大利OPERA實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家公布了一個(gè)令人難以置信的發(fā)現(xiàn):中微子的移動(dòng)速度似乎超過(guò)光速。這一發(fā)現(xiàn)違背了著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦的理論:光速不可超越。今年二月,OPERA研究人員發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)置中出現(xiàn)了一些小問(wèn)題,才導(dǎo)致出現(xiàn)中微子速度快于光速的結(jié)果。這項(xiàng)中微子實(shí)驗(yàn)讓人一驚一乍,同時(shí)也表明科學(xué)未知領(lǐng)域的復(fù)雜性和神秘性,尤其是中微子領(lǐng)域??v觀歷史上所有的中微子實(shí)驗(yàn),雖然取得了一些振奮人心的結(jié)果,但并沒(méi)有得到能夠真正挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦相對(duì)論的實(shí)質(zhì)性結(jié)果。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然令科學(xué)家迷惑不解,但也幫助科學(xué)家對(duì)自然世界了解得更多,同時(shí)也解決了不少理論上的謎團(tuán)和難
2、題。以下就是歷史上著名的中微子實(shí)驗(yàn):1、日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)上圖所示的是日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)環(huán)境,研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個(gè)探測(cè)器由一個(gè)裝滿5萬(wàn)噸水的大容器和11000多根光倍增管組成。中微子是組成自然界的最基本的粒子之一,極其微小,對(duì)于宇宙中的每一個(gè)質(zhì)子或電子來(lái)說(shuō),可能都至少有10億個(gè)中微子。這種無(wú)處不在的粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內(nèi)就開(kāi)始存在,在元素的放射性衰變中、恒星的核反應(yīng)中以及超新星爆炸過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生新的中微子。它們與物理學(xué)許多領(lǐng)域都存在緊密聯(lián)系,所以科學(xué)家需要弄清楚,中微子究竟是如何工作的。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(L
3、osAlamosNationalLab)“迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)(MiniBooNEneutrinoexperiment)”項(xiàng)目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾路易斯介紹說(shuō),“它們是宇宙中的一種主要粒子,但我們至今對(duì)其知之甚少?!敝形⒆又噪y以理解,主要原因在于它們幾乎不能與其它物質(zhì)結(jié)合。與常見(jiàn)的電子不同的是,中微子沒(méi)有電磁電荷;它們質(zhì)量非常輕,以致于科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為它們根本沒(méi)有質(zhì)量。中微子撞擊到其他粒子時(shí),會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)到的變化,探測(cè)它們需要緊密監(jiān)測(cè)一大容器物質(zhì)(如水)。加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)2、加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)看看你的指甲:每一秒大約有650億個(gè)中微子通過(guò)你的指甲。幾乎所有的中微子都產(chǎn)
4、生于太陽(yáng)內(nèi)部巨大的核反應(yīng)堆中,中微子之中包含有太陽(yáng)內(nèi)部的重要信息,所以天文學(xué)家希望能夠捕獲這些中微子。1964年,物理學(xué)家雷-戴維斯(RayDavis)和天文學(xué)家約翰-巴卡爾(JohnBacall)在美國(guó)南達(dá)科塔州的霍姆斯塔克礦中建立起一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境用于發(fā)現(xiàn)這些中微子。這種探測(cè)器需要建于深深的地下,是因?yàn)殛J入地球大氣層的宇宙射線可能會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)環(huán)境建成并開(kāi)始運(yùn)行后,研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象。根據(jù)他們的計(jì)算,太陽(yáng)的中微子應(yīng)該比他們實(shí)際探測(cè)到的三倍還要多。因此,科學(xué)家們從頭再來(lái),試圖尋找計(jì)算過(guò)程中的錯(cuò)誤和漏洞,并更正估算結(jié)果。但是,他們?nèi)匀粺o(wú)法發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)在哪里?;裟匪顾藢?shí)驗(yàn)
5、運(yùn)行了30多年,總是得出同樣的結(jié)果。天文學(xué)家懷疑自己的太陽(yáng)模型可能是完全錯(cuò)誤的。這一問(wèn)題一直持續(xù)到上世紀(jì)90年代中期。這時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)了中微子其實(shí)有三種不同的類型,0衰變過(guò)程中或太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的中微子是電子中微子,而其他過(guò)程中產(chǎn)生的粒子則是緲子中微子與濤中微子,霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的就是電子中微子。在從太陽(yáng)飛往地球的過(guò)程中,電子中微子會(huì)轉(zhuǎn)變成其他類型。因此,霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)就無(wú)法探測(cè)到其他兩種中微子。隨著新探測(cè)器的出現(xiàn),三種中微子都被探測(cè)到,那這種謎團(tuán)就不再存在。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。此前,一些科學(xué)家認(rèn)為中微子沒(méi)有質(zhì)量,而不同類型中微子之間的轉(zhuǎn)變需要粒子擁有質(zhì)量。2001年,加拿大薩德伯里中微子實(shí)
6、驗(yàn)室探測(cè)到所有三種來(lái)自太陽(yáng)的中微子。發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)3、發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)本圖所示內(nèi)容為,美國(guó)物理學(xué)家克萊德-科萬(wàn)(ClydeCowan)和弗里德里奇-雷恩斯(FrederickReines)宣布發(fā)現(xiàn)中微子的電報(bào)。1956年,研究中微子的物理學(xué)家們有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年內(nèi),美國(guó)人在原子武器項(xiàng)目中建起了多個(gè)核反應(yīng)堆。許多研究人員認(rèn)識(shí)到,這些核反應(yīng)堆每秒每平方英寸(約6.45平方厘米)內(nèi)輻射出300萬(wàn)億個(gè)中微子,因此可以用來(lái)探測(cè)中微子。盡管中微子很難與其他物質(zhì)結(jié)合,但是也存在一種微弱的可能性,即存在足夠多的物質(zhì),一個(gè)中微子應(yīng)該可以撞擊到某種事物。在0衰變的反過(guò)程中,這種直接撞擊
7、可以產(chǎn)生伽馬射線。當(dāng)時(shí),物理學(xué)家克萊德-科萬(wàn)和弗里德里奇-雷恩斯研制一個(gè)探測(cè)器并置放到南卡羅來(lái)納州薩瓦那河電廠附近,只要反應(yīng)堆開(kāi)啟,他們的實(shí)驗(yàn)就有可能首次探測(cè)到中微子。兩位科學(xué)家用強(qiáng)大的核反應(yīng)堆作實(shí)驗(yàn),終于比較精確地獲得了中微子存在的確鑿證據(jù)。雖然科萬(wàn)于1974年就已去世,但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。4、P衰變美國(guó)伊利諾伊州西北大學(xué)的理論物理學(xué)家安德烈(AndredeGouvea)說(shuō):“中微子的發(fā)現(xiàn)有一個(gè)不尋常的歷史?!笨茖W(xué)家們最早是在B衰變過(guò)程中開(kāi)始關(guān)注這種微型粒子的。20世紀(jì)初,研究人員注意到B衰變中的一些奇怪現(xiàn)象。如果釋放出來(lái)的粒子只有電子,那么B衰變這個(gè)過(guò)程似乎違背了能量守
8、恒和動(dòng)量守恒的物理學(xué)定律。當(dāng)時(shí)沒(méi)有人知道為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而,在每個(gè)新實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,違背物理學(xué)定律的證據(jù)變得越來(lái)越有力。20世紀(jì)30年代,物理學(xué)家沃爾夫?qū)?保羅(WolfgangPauli)開(kāi)始懷疑,核衰變過(guò)程可能比此前認(rèn)為的更復(fù)雜。如果一個(gè)原子在B衰變過(guò)程中也輻射出其他事物,那么這些違背物理學(xué)定律的矛盾就迎刃而解了。這種所謂的其他事物,應(yīng)該就是中微子。但是,如果中微子存在,它們必須非常輕,而且難以交互。沒(méi)有人看到過(guò)符合這種條件的粒子,也沒(méi)有人想到較好的辦法去發(fā)現(xiàn)它們。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi),科學(xué)家一直認(rèn)為探測(cè)中微子是不可能的。IMB探測(cè)器5、IMB探測(cè)器本圖所示,一名潛水員在美國(guó)俄亥俄州的I
9、MB探測(cè)器(theIrvine-Michigan-Brookhavendetector)中游泳。這個(gè)探測(cè)器建造于上世紀(jì)80年代初,本來(lái)用于探測(cè)質(zhì)子是否衰變,反而幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。上世紀(jì)80年代,科學(xué)家被一個(gè)與中微子無(wú)關(guān)的問(wèn)題所困擾。一些理論家認(rèn)為,被公認(rèn)為穩(wěn)定的粒子一質(zhì)子應(yīng)該可以衰變成更輕的亞原子粒子。如果這一說(shuō)法正確,那么這將是物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)夢(mèng)寐以求的結(jié)果,從而可以形成一個(gè)統(tǒng)一的理論,將電磁作用力、強(qiáng)作用力和弱作用力理論融合在一起。如果質(zhì)子會(huì)衰變,這將會(huì)對(duì)地球上的生命造成很大的麻煩,人體內(nèi)的原子可能混亂地轉(zhuǎn)變成其他元素。因此,理論家認(rèn)為,質(zhì)子可能會(huì)衰變,但速度極為緩慢,時(shí)間
10、表甚至比宇宙年齡的20個(gè)數(shù)量級(jí)還要長(zhǎng)。為了驗(yàn)證這一結(jié)論,科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)盛滿水的大容器中監(jiān)測(cè)質(zhì)子的數(shù)量。為了保證實(shí)驗(yàn)不受干擾,實(shí)驗(yàn)環(huán)境必須建設(shè)于地下。闖入大氣層的宇宙射線也可能會(huì)產(chǎn)生中微子,這些中微子可能會(huì)進(jìn)入地下。由于穿過(guò)探測(cè)器的中微子看起來(lái)非常像一個(gè)衰變的質(zhì)子,因此研究人員需要弄清楚他們可能會(huì)看到多少中微子。在測(cè)量過(guò)程中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了非常怪異的現(xiàn)象。來(lái)自實(shí)驗(yàn)環(huán)境以上的中微子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于下部抵達(dá)的中微子,比例大約是2:1。歷經(jīng)10年的困擾,科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn),中微子在飛行過(guò)程中,來(lái)自地底的中微子有時(shí)間轉(zhuǎn)變成不同類型的中微子,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備只對(duì)一種中微子敏感,因此就錯(cuò)過(guò)了發(fā)生變異的其他中微子。這一發(fā)
11、現(xiàn)證明了中微子在長(zhǎng)距離飛行過(guò)程中會(huì)發(fā)生性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。本來(lái)用于探測(cè)質(zhì)子的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了中微子的重要特征。相反,直到今天,仍然沒(méi)有人能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變。液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)本圖所示,一位物理學(xué)家蹲在液體閃爍器中微子探測(cè)器中。液體閃爍器中微子探測(cè)器(LSND)發(fā)現(xiàn)了電子反中微子,因此聞名于世。1993年,科學(xué)家們?cè)诼逅拱柲箛?guó)家實(shí)驗(yàn)室中建造了液體閃爍器中微子探測(cè)器,他們的目的就是弄清楚中微子是否能夠從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型。對(duì)于這一怪異的發(fā)現(xiàn),最好的解釋就是新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。液體閃爍器中微子探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)表明可能存在第四種或更多類型的中微子。第四種中微子的存在將對(duì)現(xiàn)有的粒子
12、物理學(xué)模型發(fā)起巨大的挑戰(zhàn),但它也可以用來(lái)解釋某些未解謎團(tuán),如超新星爆炸的細(xì)節(jié)等。不過(guò),許多研究人員仍然對(duì)液體閃爍器中微子探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度,這一發(fā)現(xiàn)又成為中微子物理學(xué)中的一大謎團(tuán)。迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)本圖所示場(chǎng)景為迷你升能器中微子探測(cè)器(MiniBooNEdetector)的墻壁。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家從2002年起開(kāi)始啟動(dòng)新的探測(cè)實(shí)驗(yàn)一“迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)”,該實(shí)驗(yàn)的目的就是證實(shí)或否定液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)成果。他們最初的結(jié)果似乎證明液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤,但是進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化。“迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說(shuō),“現(xiàn)在看起來(lái),迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)與液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的。”兩大實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,仍然存在許多怪異現(xiàn)象。中微子科學(xué)家們需要建造更多的探測(cè)器和實(shí)驗(yàn)設(shè)施去解答這些謎團(tuán)。LongBaselineNeLrtrinoExperiment HYPERLINK http:/www.sTDCKSTAR.com www.sTDCKSTAR.com長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)8、長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)本
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