2015 年諾貝物理學獎「中微子振蕩」具體是在研究什麼?目前在國內外的進展如何? | 知乎問答精選

 

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2015 年諾貝物理學獎「中微子振蕩」具體是在研究什麼?目前在國內外的進展如何?

2017年08月17日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【於澤源的回答(193票)】:

本人是國內大亞灣中微子實驗的一員民工,謝邀。

先引用一段,關於太陽中微子的:「中微子振蕩,這是啥? 假設中微子這種基本粒子是一群普通青年,他們十一去遠遊,到了地方發現人只剩約1/3,人都消失啦,這就是中微子丟失之謎。後來人們發現普通青年沒丟,但變成了文藝青年和2B青年,這叫中微子振蕩」

中微子是我們物質世界的一種基本粒子,和電子、夸克等都是宇宙的基本組成單元。不過它的穿透能力很強,和普通的物質基本不會發生相互作用,比如1MeV的電子頂多穿透2mm的鋁,而相同能量的中微子則可以輕鬆的穿過整個地球。

在粒子物理中,有一個叫做「標準模型」的理論模型來描述各個基本粒子和它們之間的相互作用。標準模型對夸克、輕子和波色自的預言十分準確,特別是前幾年拿了諾獎的上帝粒子--Higgs粒子就是標準模型中預言的最後一種粒子。雖然標準模型在過去的幾十年間獲得了巨大的成功,不過它也有一些小小的瑕疵,就像19世紀末的經典物理學一樣,標準模型無法描述暗物質的存在,也無法描述暗能量是個什麼東西,不過畢竟暗物質和暗能量還沒有被正式發現,標準模型還不需要太擔心。

但是中微子振蕩則不一樣,它是目前唯一直接超出標準模型的實驗結果。在標準模型中,中微子分為三代,電子中微子、繆子中微子和陶子中微子,它們的靜止質量嚴格為0,它們要遵循輕子數守恆,不能相互轉變。但是實驗上卻發現,不同代的中微子之間確是可以互相轉變的,就是所謂的中微子振蕩。這種現象要求中微子具有質量,超出了標準模型。

簡單的說,一個核反應堆如果產生了100個反電子中微子,而我們在1公里外觀測,只能看到95個,另外5個轉換成了繆子中微子和陶子中微子。

中微子振蕩的現象是上世紀60年代美國科學家戴維斯首次發現的(戴維斯是02年諾獎獲得者),他使用四氯化碳觀測太陽核聚變中釋放的電子中微子,發現數據只有理論預期的三分之一,這在當時被稱為太陽中微子之謎,科學家們不知道這些中微子去了哪裡,不過今年諾獎之一的SNO實驗在2000年左右確認,這些電子中微子也是振蕩到了另外兩種。

中微子的來源有很多,高能宇宙線和大氣層相互作用會產生中微子,太陽核聚變會產生中微子,反應堆中核燃料衰變也會,地球內部的U和Th衰變也會。這些不同來源的中微子都會發生振蕩,而今年諾獎的日本實驗SK就是發現了大氣中微子振蕩,SNO就是確認了太陽中微子振蕩。

SK下面這個圖很有意思,他們乘著小船在探測器裡面修光電倍增管。

目前中微子是粒子物理的一個熱點研究領域,很有可能是下一代物理的突破點。而我國在這個領域也處於世界前列。2007年開始建設的大亞灣中微子實驗是研究距離核反應堆2km處的中微子振蕩,在2012年3月全球首次測量到該振蕩模式。如果說SK首次測量到的是中微子第二代和第三代的振蕩,SNO確認了第一代和第二代之間的振蕩,大亞灣實驗則是首次測量到第一代和第三代之間的振蕩。不過我們並不奢望諾獎,畢竟中微子振蕩已經被確認這麼多年了。

中微字振蕩是按照正弦和餘弦的規律進行,三種振蕩的振幅已經都被測量出來,不過還有兩種頻率尚未確定清楚。這是國內外下一代中微子實驗的焦點,包括我國的江門中微子實驗,日本的HyperK實驗,美國的DUNE實驗,還有南極的IceCube實驗。如果這個頻率在未來十年能夠被測定,中微子振蕩的下一個問題就是CP破壞,也就是正反中微子的區別,這有可能能夠解釋目前宇宙中為什麼物質遠多於反物質。

我國的大亞灣實驗的一個重要意義就在於,它確認了一三振蕩的幅度足夠大,在目前的技術水平下,中微子振蕩的頻率和CP破壞都可能被測出來,所以從2012年後,世界上的中微子實驗開始不斷加速。或許我們有生之年能夠看到宇宙中反物質消失之謎。

最後一部分,關於中微子的應用。目前關於中微子的研究都是基礎科學的研究,也就是在積累對中微子性質的理解,尚未能夠應用於日常生活中,不過引用科學網曹俊老師的一段話「四百年前,丹麥科學家第谷仰望星空三十年,積累了大量的天文數據,由他的弟子總結成開普勒三定律,這是牛頓提出牛頓力學的重要依據。誰能想到,天天盯著星星看而窺得的行星運動的奧秘,幾百年後卻成為我們修造高樓大廈、橋樑、飛機、汽車、發射飛船衛星的根本?今天的科學將是明天的技術。從基礎科學研究到技術轉化需要一代代科學家們的持續努力。」

就目前而言,中微子已經成為天文學和地質學的一種探測工具,超新星爆發會施放大量的中微子,地球內部的核衰變也會施放中微子,這些中微子是研究天體物理和地質的新工具。從自然科學的歷史來看,每當科學家多出一種探測世界的手段,對應學科都會有突飛猛進的發展。引用一張圖片,侵刪

這是宋代著名超新星爆發後的遺跡--蟹狀星雲,圖中可以看到它在不同波段的不同性質,科學家會很好奇,在中微子的視角中,它會是什麼樣子呢?這是宋代著名超新星爆發後的遺跡--蟹狀星雲,圖中可以看到它在不同波段的不同性質,科學家會很好奇,在中微子的視角中,它會是什麼樣子呢?

最後廣告一下,我們正在寫關於中微子和大亞灣實驗的科普書,希望能藉著這次諾貝爾獎的風大賣特賣。

標籤:-物理學 -粒子物理學 -2015年諾貝爾獎


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