作者:彬彬 来源:新浪科技 发布时间:2012-3-13 14:33:30
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盘点八个著名中微子实验:未能真正挑战相对论

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,中微子可能快过光速,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,尤其是中微子领域。
 
纵观历史上所有的中微子实验,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

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

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

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

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。

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