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短说一:神秘的中微子

已有 2781 次阅读 2015-6-21 10:53 |个人分类:物理短说|系统分类:科普集锦| 中微子, 物理短说

短说:


先给自己开个头吧:


很长时间里我是没有写过什么关于物理的文字,究其原因大概有以下几点:1. 物理太深奥,自己很多没有理解透彻;2. 学习物理的时间有限,而我爱好颇广,已经有点“玩物丧志”了,所以,相比于全身心投入物理的情形,自己分心太多;3. 我不确定能写好这样的文字,我觉得我心里是有顾忌的,因为好多年里,我逃避了物理。


相比之下,也觉得我可以找出以下几条理由可以写点什么关于物理的文字:1. 我的亲人还有很多朋友,不知道我是做什么的,我又很少有耐心能跟他们讲讲我学的是什么,也许他们能耐心看看这点文字;2. 我一直想以什么方式来总结一下对物理的理解,或许这便是其中一种;3. 我不应该怕犯错误。


中微子是什么?

这个问题让我想到了上高中时问到的一个问题,“物理是什么?”,这个问题在后面好多年里被问及。简单地讲,中微子是粒子物理标准模型里面的一种基本粒子。标准模型里面一共有17种基 本粒子,如果考虑粒子的反粒子等的话,一共有61种基本粒子。所谓基本粒子,简单地讲,就是其他的粒子,无论其组成或者相互作用,都可以用这些粒子来描述。这就是标准模型,无论在理论上,还是在实验上,这些粒子都已经被发现。自然,标准模型有它的局限性。


Standard Model of Particle Physics. (来源:https://en.wikipedia.org/?title=Standard_Model)


中微子什么亟待解决?

标准模型里面,没有要求中微子是有质量的,而中微子震荡实验,说明中微子是有质量的。中微子的质量是多少?质量的顺序如何(涉及到flavor states & mass states )?中微子是Dirac or Majorana型的?中微子是否违反CP守恒?每个问题都有其物理背景,这里不多说。



如何探测中微子?

中微子不喜欢和物质发生相互作用,结果就是探测它非常不容易,需要巨大的探测器,想想足球场的大小,或许能理解这个概念。事实上,我们并不能直接真实的看到中微子,而是通过它与核子作用长生的粒子来判断。这里提一下,中微子的相互作用是弱相互作用,有charge-current和neutral-current两种类型。

 


The first use of a hydrogen bubble chamber to detect neutrinos, on November 13, 1970. A neutrino hit a proton in a hydrogen atom. The collision occurred at the point where three tracks emanate on the right of the photograph.(来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino



中微子可以在哪儿找到?

首先,中微子可谓无处不在,基本上每秒钟约有10^12个中微子穿过人的身体。宇宙大爆炸使得现在的宇宙各处,基本上每立方厘米就有400多个中微子。超新星爆炸可以产生很多中微子,当然,我们最该想到的应该还是我们的太阳,它可是离我们最近的巨大的中微子源(约1000亿个中微子每平方厘米每秒)。自然,现在的核电站、粒子加速器也可以产生中微子。不过,你或许根本想不到,你每天吃的香蕉也可以产生大量的中微子,差不过每吃一根香蕉,就吃掉近百万个中微子。原因是香蕉中含有钾元素K40(约20mg per banana),它是非常不稳定的,可以进行beta-decay,后者就相应的产生中微子。



著名的太阳中微子问题

太阳只产生电子中微子,如果考虑到太阳内部的反应的话。但在地球上探测到的电子中微子的数量明显偏低。当然,现在这个问题可以通过中微子震荡来解释了,就是在电子中微子到达地球的过程中,一部分转变成了其他类型的中微子。


中微子的理论和实验

关于中微子的理论,可以最早追溯到Pauli(1930年)。自然现在也有很多理论研究是否存在第四种中微子,中微子的质量等问题。关于中微子的实验,可以参考https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_neutrino_experiments 。这里特别提一下2012年大亚湾中微子实验的结果,是重要的。




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