了不起的物理

91 飄忽的幽靈粒子:中微子振蕩

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中微子並非隻有一種,就目前的研究而言,我們已經發現了三種中微子,分別是電子中微子、μ中微子和τ中微子。當我們說中微子的時候,其實指的是電子中微子。

中微子有一種神奇的性質,也就是隨著時間的推移,它的種類會在三種中微子當中來回切換,這種現象叫中微子振**。

20世紀50年代,由於粒子物理研究的充分發展,科學家們對於太陽的研究已經比較深入了。根據太陽的質量我們可以計算出太陽核反應的具體情況。而在太陽中發生的核聚變反應會有大量的中微子產生,具體每秒應該有多少中微子發出,理論上可以計算出來。但奇怪的是,當我們用實驗在地球上測量傳播到地球上的中微子時,驚奇地發現居然有很大一部分的中微子消失了,也就是實驗的測量結果與理論的計算結果有著重大差距。這就是著名的太陽中微子問題,也稱“中微子消失之謎”。

直到1957年,一位叫龐蒂科夫的意大利物理學家提出了中微子振**的概念。龐蒂科夫認為,太陽中的中微子並非消失了,而是轉化成了另外一種中微子,而我們的實驗裝置是隻為探測電子中微子設計的,因此探測到的隻有部分電子中微子,其他的中微子則轉化成了μ中微子或τ中微子,但它們過一段時間會轉化回電子中微子。

中微子振**的現象直到2001年才被實驗充分證實。日本的神岡中微子探測器對此做出了巨大貢獻。神岡探測器由一座地下1000米的廢棄礦井改造而來,之所以要選擇在地下,是因為地麵上有很多宇宙射線的幹擾,地底深處大部分宇宙射線進不來,而中微子的穿透性卻極強。到了地下1000米這個深度,可以保證進來的粒子大部分是中微子。

於2020年12月12日退役的我國大亞灣中微子實驗裝置有一個非常重要的貢獻,就是它發現了一種新的中微子振**模式。至於中微子為什麽會發生振**,是一個至今都不清楚的問題。