中微子.pptVIP

作者: 取材自“新发现”杂志 “我做了一件可怕的事情。我假定了一种探测不到的粒子。”1930年, 沃尔夫冈?泡利(Wolfgang Pauli)这样说道。当时他在万般无奈之下, 提出了中微子的假设。这是一种神秘的粒子,据称不会与当时了解的任何其他物质粒子相互作用, 并且据信能够挽救那神圣不可侵犯的能量守恒定律。这是一个大胆的灵感,但完全正确,因为这一幽灵粒子的存在将25年之后得到最终证实。 这个故事已经成为一段传奇,因为人们意识到, 正是由于物理学家勇敢地设想了这种貎似无法侦测的粒子, 才得以发现了粒子世界中的第三种基本相互作用――弱相互作用力,而反过来, 弱相互作用力的发现又促成了中微子的发现。我们还能再次谱写这样美丽的故事吗? 今天的物理学家希望再次得到幸运女神的眷顾,所以设想了一种同样看似无法侦测的粒子:惰性中微子。 的确, 这些理论物理学家就像他们的杰出先辈一样,为这样一种粒子痴狂。从理论上说,这种粒子不会和任何其他已知的物质实体发生相互作用――这一次, 粒子物理学中的三种基本相互作用都被包括在内, 而不仅是泡利时代的两种。它与我们这个现实世界的唯一联系, 仅在于它的质量不为零, 这使得它对引力的敏感。只不过由于引力的作用在粒子层面极其微弱,所以如果惰性中微子真的存在,就能轻松地穿透一切物质而不留任何痕迹。 隐形的救星 对于从事实验科学的物理学家来说,假定这样一种幽灵粒子的存在,无疑又是“一件可怕的事情”。推出这样一个看不见摸不着的神秘客, 就可以把一切误差, 以及一切奇迹都推到它身上。当然,最早向这个隐形救星求援的, 是基本粒子的专家们。他们第一次提及它的存在, 是为了应付有关中微子质量的难题。因为根据标准模型的规定,泡利“创造”的这些粒子和光子一样, 是没有质量的。事实上,根据这种理论的规则,物质基粒子拥有质量的前提, 是存在着具备两种不同“螺旋态”粒子。“螺旋态”是粒子的内在特征, 类似一种旋转状态,一种“向左”,一种“向右”。 然而,自从20世纪50年代中期以来, 所有的实验都证明中微子仅存在左螺旋态。这样一来, 就说明赋予中微子质量的数学表达式是不完整的, 其质量不存在, 其值应该为零。不过, 15年以来, 人们发现事实并非如此: 标准中微子其实是有质量的,虽然很小, 但决不是零(在三种标准中微子中, 最重的中微子质量至少达到电子的千万分之一,而电子是其他粒子中质量最小的)。但是, 要如何才能超越标准模型的限制, 为中微子赋予质量呢? 自20世纪70年代开始,理论物理学家就设想存在着一种右螺旋态的中微子,这样就能够为中微子的质量方程增加一个项, 将其补充完整。然而,这种右螺旋中微子从来没有被观测到,这就说明它对包括弱相互作用力在内的三种基本相互作用均不敏感。换言之, 这种新型的中微子如果存在,必然是惰性的。于是, 我们的幽灵粒子终于披上了救星的外衣。 这种幽灵粒子帮助我们弥补了对物质认识的缺陷, 但与此同时, 也残酷地揭示了我们对物质的认识局限。由于标准中微子的质量极其微小,理论物理学家不得不引入一种巨大的惰性中微子, 其质量达到10万亿电子伏特(TeV)级别。然而, 如此巨大的能量远远超出了标准模型的描述能力, 一旦使用标准模型的方法去描述那些能量在几万亿电子伏特之上的基本现象, 这些方程就会崩溃。 对于现有的理论来说, 这些有望解决其他中微子质量问题的惰性中微子实在是太大了, 它们只有在一门与它们相称的物理学中才能合理地存在。因此, 正如法国奥塞理论物理学实验室的阿斯马?阿巴达(Asmaa Abada)所总结的那样: “如果想要对标准模型范畴中的中微子质量问题作出解释,就不得不引入一些与标准模型毫不相干的粒子。” 厘清宇宙之谜! 这些魔幻的粒子甚至可能在另一个层面带来震撼。有些人从它们身上看到了对科学界最大的谜团作出解答的希望。那个谜不再是属于微观世界,而在于浩瀚的宇宙, 那就是宇宙质量缺失之谜。我们这个宇宙的85%都是由迄今仍未被发现的暗物质构成的, 而这种神秘的暗物质或许就是惰性中微子。还有些人则猜想, 惰性中微子可能要为我们宇宙中反物质的神奇消失负责, 因为这些粒子与构成我们的世界的粒子是对称的,据信在宇宙起源之时它们的数量与后者相同。 经过了将近50年的思辨, 物理学家终于根据不同的需求和理论模型,像魔术师一样从帽子里掏出了一系列不同的中微子。用来解释核反应堆中微子消失之谜的惰性中微子质量为1电子伏特的质量,是赋予中微子质量的惰性中微子的10 25?倍……而用来破解宇宙难题或其他理论问题的惰性中微子也各具不同的质量。 但这些差异并不重要, 因为最终都要看实验结果,而即将开始书写的粒子物理学新篇完全可以根据需要把这些新成员都收录进去, 哪怕它们是如此地不同。而正如的里雅斯特国际理论物理中心的葛兰?