中微子到底是真是假

【专家解说】：性质 　　粒子间的各种弱相互作用会产生中微子，而弱相互作用速度缓慢正是造就了恒星体内“质子-质子”反应的主要障碍，这也解释了为什么中微子能轻易的穿过普通物质而不发生反应。太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生10的38次方个中微子，畅通无阻的从太阳流向太空。每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体，甚至在夜晚，太阳位于地球另一边时也一样。 探测 　　由于中微子与其他物质的相互作用极小，中微子的探测器必须够大，以求能观测到足够数量的中微子。为了屏蔽宇宙射线及其他可能的背景干扰，中微子的探测仪器时常设立在地底下。 速度 　　在“中微子震荡”这个概念出现以前，根据狭义相对论而建立的中微子标准模型，中微子的质量应为零，并应该以光速行进。然而，近年的研究似乎开始对“中微子的质量是零”这个假设开始动摇，亦因此开始有人质疑中微子是否能够以光速行进。 　　科学家首次对中微子的速度进行侦测在1980年代早期，当时科学家透过从脉冲质子束射击而产生的脉冲π介子束来测量中微子的速度。当带电的π介子衰变，就会产生渺子及中微子或电子中微子。透过检测中微子出现的时间，就可测量出中微子的速度。结果显示中微子的速度是光速与假设相符。后来当这个实验在其他地方重复时，测量中微子的方法改用了MINOS侦测器，测出了一颗能量为3 GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。由于这个速度的中间值比光速还要快，科学家当时认为实验的不确定性太大，而实际上中微子的速度应该不可能超过光速。这个实验设定了50 MeV的渺中微子的质量上限，可靠率为99%。 　　超新星SN 1987A同样的观测不单在地球上发现，当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是：这些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现像，当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快”，而这个速度亦与光速接近。然而，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度有可能会比光速还要快。超新星SN 1987A 2011年9月，意大利格兰萨索国家实验室旗下的OPERA实验室宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志。研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。根据这项对渺中微子的研究，发现当平均能级达到17 GeV的渺中微子从CERN走到LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快 60.7 纳秒，即以光速的 1.0000248 倍运行，是实验的标准差10纳秒的六倍，“比光速快6公里”，证实了这个假设。 编辑本段中微子天文学 　　中微子天文学天体物理学的一个分支﹐主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子是一种不带电﹑静止质量为零的基本粒子。早在研究原子核的β衰变时就从理论上预见到中微子的存在﹐但直到1956年才在实验中观察到。中微子和一般物质的相互作用非常微弱﹐除某些特殊情况外，在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面﹐因此﹐对恒星发射的中微子进行探测﹐可以获得有关恒星内部的信息。 太阳中微子实验 　　太阳每秒放出的总辐射能为 3.86×10尔格。其中绝大部分的能量由质子－质子反应产生﹐很小一部分由碳氮循环产生。这些反应中有许多分支反应过程是产生中微子的﹐中微子在地球表面处的通量是很大的。中微子具有很大的穿透本领﹐一般很难测量。美国布鲁克黑文实验室的戴维斯等人在深矿井中进行了太阳中微子的实验。实验中用大体积的四氯化二碳作靶﹐利用Cl俘获中微子的反应﹕+Cl→e +Ar﹐来探测太阳中微子。从1955年以来﹐他们所得的结果是﹕ 产生中微子的过程 　　在恒星演化的早期和中期﹐中微子的作用很小。到恒星演化的晚期﹐中微子的作用就变得重要了。这时﹐产生中微子的过程主要有以下几种： 　　第一种是尤卡过程。其反应为： 　　(Z﹐A )→(Z +1﹐A )+e +﹐ 　　e +(Z +1﹐A )→(Z﹐A )+。 　　尤卡过程的总效果﹐是将电子的动能不断地转化为中微子对而放出。式中Z 为原子序数(质子数)﹐A 为质量数(核子数)﹐e 为电子﹐为电子中微子﹐为反电子中微子。 　　第二种是中微子轫致辐射。隆捷科沃于1959年首先进行研究。电子与原子核(Z﹐A )碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为： 　　e +(Z +1﹐A )→e +(Z﹐A )++。 　　第三种是光生中微子过程。丘宏义和斯塔贝尔曾在1961年首先进行研究。γ光子与电子碰撞﹐可以发射中微子对﹐其反应为： 　　γ+e →e ++。 　　第四种是电子对湮没中微子过程。丘宏义和莫里森于1960年首先进行研究。正﹑负电子对湮没为中微子对﹐其反应为： 　　e +e →+。 　　式中e 为正电子。 　　第五种是等离子体激元衰变中微子过程。J.B.亚当斯等人于1963年进行研究。等离子体激元可以按如下的反应衰变为中微子对： 　　→+。 　　第二﹑三﹑四﹑五种过程是根据1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用导出的。弱电统一理论提出后﹐又出现了许多新的中微子过程﹐例如上述第三﹑四﹑五种过程右方的+都可推广为+﹐+等。 中微子的作用 　　在恒星演化的晚期﹐中微子的作用有﹕发射中微子﹐带走了大量的能量﹐加快了恒星演化的进程和缩短了恒星演化的时标﹔对超新星爆发和中子星形成可能起关键作用。例如﹐有一种看法认为﹕在一个高度演化的恒星内部﹐通过逐级热核反应﹐一直进行到合成铁。进一步的引力坍缩，将使恒星核心部分产生强烈的中子化﹐而放射出大量中微子。由于中性流弱作用的相干性﹐铁原子核对中微子有较大的散射截面。因此﹐强大的中微子束会对富含铁原子核的外壳产生足够大的压力﹐将外壳吹散而形成猛烈的超新星爆发。被吹散的外壳形成星云状的超新星遗迹﹐中子化的核心留下来形成中子星。 　　恒星离我们十分遥远﹐以目前的探测技术还无法接收到它们发射的中微子流。只在超新星爆发使中微子发射剧增时﹐才有可能探测到。除了恒星以外﹐在类星体﹑激扰星系以及宇宙学研究对象中﹐也存在许多有关中微子过程的问题。 中微子实验 　　中微子是当前粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科，本身性质也有大量谜团尚未解开。在这一领域，大部分成绩均为日本和美国取得。1942年，中国科学家王淦昌提出利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案，美国人艾伦成功地用这种方法证明了中微子的存在。80年代，中国原子能科学研究院进行了中微子静止质量的测量，证明电子反中微子的静止质量在30电子伏特以下。 　　中微子振荡研究的下一步发展，首先必须利用核反应堆精确测量中微子混合角theta13。位于中国深圳的大亚湾核电站具有得天独厚的地理条件，是世界上进行这一测量的最佳地点。由中国科学院高能物理研究所领导的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动，联合了国内十多家研究所和大学，美国十多家国家实验室和大学，以及中国香港、中国台湾、俄罗斯、捷克的研究机构。实验总投资约3亿元人民币，预期2010年建成。它的建成运行将使中国在中微子研究中占据重要的国际地位。 　　中微子具有质量，这是很早就提出过的物理概念。但是人类对于中微子的性质的研究还是非常有限的。我们至今不是非常确定地知道：几种中微子是同一种实物粒子的不同表现，还是不同性质的几种物质粒子，或者是同一种粒子组成的差别相当微小的具有不同质量的粒子。随着人类认识的深化，科学技术的发展，中微子之谜终究是会被攻破的。 　　欧洲核子研究中心23日宣布，他们发现一些粒子可能以快于光速的速度飞行，一旦这一发现被验证为真，将颠覆支撑现代物理学的爱因斯坦相对论。科研人员在让中微子进行近光速运动时，其到达时间比预计的早了60纳秒（1纳秒等于十亿分之一秒），对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快60纳秒的速度运行。 　　此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒子束的发射方和接收方之间有着730公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行，并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。 　　但物理学家们认为，一旦这些粒子确实被证实跑过了光速，将彻底改变人类对整个宇宙存在的看法，甚至改变人类存在的模式。有分析人士认为，可能宇宙中的确还存在其他未知维度，中微子抄了其他维度的“近路”，才“跑”得比光快。现在此结论还有待进一步证实。