你是否知道,每秒钟都有数万亿个神秘的粒子穿过你的身体,而你却毫无察觉?
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这种粒子就是中微子,也被称为“幽灵粒子”。
它无处不在,却又几乎不与任何物质发生相互作用,甚至可以轻松穿过整个地球。科学家估算,单个中微子甚至能穿过一光年厚的铅块!
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那么,这种像幽灵一样的神秘粒子是如何被发现的?
它在宇宙中又扮演着什么角色呢?
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1914年,英国物理学家查德维克发现,物质在贝塔衰变过程中,莫名其妙地丢失了一部分能量。虽然能量损失微不足道,但它违背了现代物理学的基石,能量守恒定律,甚至有人开始怀疑能量守恒定律的正确性。
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直到1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个大胆的假说:在贝塔衰变过程中,除了产生电子外,还有一种静止质量为零的电中性粒子被释放,带走了丢失的能量。1932年,物理学家费米将这种粒子命名为“中微子”。然而,由于中微子与物质的相互作用极弱,泡利甚至认为它永远无法被探测到。
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经过20多年的努力,美国物理学家科万和莱因斯终于在1956年利用核反应堆直接观测到了中微子。这一发现不仅证实了泡利的假说,还为莱因斯赢得了1995年的诺贝尔物理学奖。
现在我们知道,中微子在宇宙中无处不在。它们产生于宇宙大爆炸、超新星爆发以及恒星的核聚变过程中。例如太阳就是一个巨大的中微子工厂。在太阳核心的核聚变反应中,四个质子融合成一个氦核,同时释放出两个正电子和两个中微子。
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根据理论计算,太阳每秒会产生约10^38个中微子,而地球表面每平方厘米每秒会穿过约600亿个太阳中微子。
尽管中微子与物质的相互作用极弱,但并非为零。大约每10万亿个中微子穿过地球时,会有一个与原子核发生碰撞。
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1968年,美国科学家雷蒙德·戴维斯在地下1500米的矿井中放置了一个装有615吨四氯乙烯溶液的大容器,用于探测太阳中微子。当氯-37原子核被中微子击中时,会转化为氩-37。通过监测氩-37的数量,科学家可以间接探测中微子。
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然而,实验结果令人意外:探测到的中微子数量仅为理论预测的三分之一,这就是著名的“太阳中微子失踪之谜”。
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这一谜题直到2001年才被解开。日本超级神冈探测器的实验发现,中微子在传播过程中会从一种类型转变为另一种类型,这种现象被称为“中微子震荡”。这一发现不仅解释了太阳中微子的失踪,还证明了中微子具有极其微小的质量。日本科学家梶田隆章因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。
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作为人类了解最晚、也是最神秘的基本粒子之一,未来中微子研究可能会带来物理学的革命,甚至改变我们对宇宙的认知。