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主题:探索中微子之迷 (转自“万方数据”)
发信人: yyy111()
整理人: bsese(2000-01-21 08:14:28), 站内信件
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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