发信人: yyy111()
整理人: bsese(2000-01-21 08:14:28), 站内信件
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探索中微子之迷
最近，日本科学家宣布他们有足够的实验证据
说明中微子具有静止质量，这一发现引起广泛关
注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集
日本中部岐阜县的小镇神冈町，希望亲眼目睹
实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登
·格拉休指出：“这是最近几十年来粒子物理
领域最重要的发现之一。”
科学家为什么如此重视这一成果呢?这是因为
它关系到人类所在的宇宙将如何演变。对此，
科学家目前认同的有两种情况：一种情况是宇
宙将像现在这样永远膨胀下去；另一种情况是
它膨胀到一定程度后在自身引力作用下发生收缩。
哪一种情况会发生取决于宇宙的总质量。如果总
质量小于某个临界值，宇宙自身的引力就不足够
大，前者将会发生；反之后者将会发生。虽然单
个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中它的数
量极其巨大，如果它具有静止质量，其总质量会
非常惊人，影响到宇宙总质量与临界质量的对比
关系，即决定宇宙是膨胀还是收缩。
在微观世界中，中微子一直是一个无所不在而
又不可捉摸的过客。中微子产生的途径有很多，
如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线
与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种
物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是
构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一，但由于
它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互
作用，因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。
被誉为中微子之父的泡利与费米曾假设它没有静
止质量，并在此基础上比较完善地解释了粒子β
衰变过程。后来，各国科学家们通过实验发现中
微子可能有静止质量，不过由于这种粒子实在难
以探测，可用的观测结果很少，难以对已有的理
论构成冲击。
来自日本和美国的约120名研究人员在东京大学
宇宙射线研究所的领导下参与了对中微子的研究。
他们在神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑中设置
了一个巨大的水池，装有5万吨水，周围放置了1.3
万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，
由于水中氢原子核的数目极其巨大，两者发生撞击
的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光
电倍增管捕获放大，并通过转换器变成数字信号送
入计算机，供科学家们分析。
科学家们已经确认中微子有三种状态：电子中微子、
μ中微子和τ中微子；其中只有前两者能够被观测到。
日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线
与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产
生的μ中微子。研究人员在美国《科学》杂志上报告
说，他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入
水槽的μ中微子，只有理论值的60％；在实验地背面
的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有
139个，只剩下理论值的一半。他们据此推断，中微子
在通过大气和穿过地球时，一部分发生了振荡现象，
即从一种形态转换为另一种，变为检测不到的τ中微子。
根据量子物理的法则，粒子之间的相互转化只有在其
具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论不言而喻：
中微子具有静止质量。
实验不能给出中微子的准确质量，只能给出这两种
中微子质量之差——大约是电子质量的一千万分之一，
这也是中微子质量的下限。中微子具有质量的意义却
不可忽视。一是如前所述，由于宇宙中中微子的数量
极其巨大，其总质量也就非常惊人。二是在现有的量
子物理构架中，科学家用假设没有质量的中微子来解
释粒子间的电弱作用；因此如果它有质量，目前在理
论物理中最前沿的大统一理论模型(一种试图把粒子间
四种基本作用中的三种统一起来的理论)就需要重建。
简而言之，中微子的质量问题不仅在天体物理领域，
而且在量子物理领域都是非常重要的，对这一问题的澄
清是人类在认识自然过程中取得的一个突破。
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