中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

女作者:黃金

位於美國 伊利諾斯州巴達維亞“費米實驗室”是美國最強的粒子加速器,在這裡的科學傢們要捕獲宇宙中最不活潑的粒子:“中微子”。因為這種神秘而詭異的粒子掩蓋瞭巨大的秘密,從統一自然界的四大基本作用力( 強核力、引力、電磁力、弱核力),以及一個鮮為人知的問題:為什麼存在的物質都擁有實體,而不是虛無的?

“中微子”可以打開進入物理更深領域的大門,目前對於研究中微子的實驗有很多,但核心研究圍繞中微子展開的研究中,其中最大、最先進的就是“DUNE實驗”( 即是:深層地下中微子實驗室),在某種意義上最重要的核心就是研究物質與反物質的實際行為是否不同,正如從質能方程中所知,物質與反物質應完全對等,但實際上並不是這樣的,因為“DUNE實驗”項目會解釋此原因。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

“DUNE實驗”核心

中微子是一種被稱為輕子的基本粒子,與熟知的電子以及比電子更重一些的μ子和τ子同屬一類,中微子也分為三種,分別對應每種帶電輕子,所以有電中微子、μ中微子和τ中微子,所有的中微子都有一種奇異的性質:它們可以隨時間在三種類型之間振蕩轉換。

測量中微子振蕩是解開秘密的重要部分,但這並不容易,中微子是自然界中最神出鬼沒的基本粒子,幾乎隻與弱核力及引力發生作用。

事實上,為瞭有50%機率阻擋一個從太陽發射出來的中微子,需要一堵5光年厚的“鉛墻”,總的來說,找到中微子的方法非常苛刻。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

捕獲中微子的難度非常苛刻

中微子的弱相互作用性質讓它們極其難以探測,為瞭有機會探測到一個中微子,就得有數量極其龐大的中微子進入探測器,因此,中微子得被聚集為“束狀”,但如果中微子的相互作用是如此微弱,那又如何把它們引導成“束狀”呢?

答:主費米實驗室射線使用巨大的電磁線圈繞2.5英裡周長的環形軌道加速“質子”,達到99.997%的光速,這是可實現的,因為和中微子不同,質子帶有電荷,這些質子通過擊“石墨”,當它們撞擊時原子核會產生所有種類的粒子,更多的磁場被用來篩選碰撞殘骸中帶正電荷的“介子”,然後將它們聚集成“束狀”,這些介子會快速衰變為μ子和μ中微子,射線接下來穿過數百米的巖層,用以阻擋μ子,而中微子會直接穿透巖層,純凈“束狀”的 μ中微子會被送入探測器,這就是“ICARUS·宇宙信號設備”。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

“ICARUS·宇宙信號設備”和地下測得的稀有信號成像:液氬中微子獵手,是如何捕獲中微子的?

答:這個是概率的問題。

每個中微子隻有極小的幾率與任何特定的”Ar原子核”發生作用,每秒鐘向探測器發射1萬億個中微子,不過僅僅有少數會發生相互作用。

為何中微子如此難以捉摸?

中微子隻參與弱核力和引力,而引力又微弱到可忽略不計,為瞭與其它種類的物質反應,中微子需要與其交換一個弱相互作用力的載體:一個“W”或“Z”玻色子,事實上,一個虛玻色子隻存在於一瞬間,隻要足夠交換中微子和原子核的能量即可,它實際上從虛無中暫借瞭存在所需要的能量,這是一種利用海森堡不確定性原理達成的能量守恒作弊,海森堡不確定原理告訴我們在一對特定的屬性之間存在不確定性,在這種情況中,是能量與時間的不確定性,所以虛粒子存在的時間越短,能暫借的能量就越多。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

波色子的質量很大,為瞭存在,“W”玻色子需要暫借一大堆能量來形成它們其餘的能量,這極大的限制瞭它們能存在的時間,也限制瞭能傳播的距離,為瞭讓一個中微子與原子核發生相互作用,它需要接近到幾乎完全進入原子核之中,也就是一次直接的碰撞。

如果中微子與探測器產生作用,”Ar原子核”會被擊碎,帶電粒子( π子和 μ子)被釋放,這些粒子隨後穿過液氬把電子從原子中激發為自由電子,再對探測器的一側加上電荷,強大的電場充滿個容器,電場反自由電子再吸引到容器壁上,通過電子軌跡來追蹤中微子軌跡,軌跡當中就可以瞭解中微子振蕩的一切,其中包括引起一切的中微子的類型,探測到的是電中微子還是μ中微子(或者τ中微子)。

在隻發射源隻發射μ中微子的情況下,隻能檢測到瞭τ中微子或電中微子,就觀察到瞭中微子振蕩,使用儀器來判斷振蕩發生的數量,加上中微子以光速的速度前進的距離,就可以計算出中微子振蕩的速度。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

中微子對宇宙研究早期宇宙誕生有著巨大的線索

這個實驗將會捕獲中微子束並在穿越的過程中將會得到一些關於物質和反物質區別的基本性質,也有可能為科學傢們解釋“宇宙一開始就是由物質構成”。

通過研究中微子這種粒子物理,能夠更多理解物質和反物質本該在早期宇宙中被相等的創造,然後相互湮滅,留下一個隻存在於光子的宇宙,然而現在觀測到的是一個充滿物質的宇宙,這意味著在物質與反物質之間肯定存在一些微小的維持平衡物質,這些微小的物質殘骸足以形成恒星和星系。

物質與反物質的行為反映出它們之間一定存在一些微小的物質, 一個在緊隨大爆炸發生之後的物理過程,通過“輕子”生成機制。早期宇宙的微子會衰變為其它類型的正物質粒子,中微子生成反物質粒子。

中微子是維持物質與反物質相互湮滅的一種粒子

中微子與反中微子的數量不相等,就會造成物質與反物質數量的極度不平衡,最初的不平衡也會在中微子振蕩方式中體現出來,反中微子在三種類型之間的振蕩要比中微子慢,這就是“DUNE實驗”項目所尋求的探測目標。

作者簡介:我是黃金,從事企業行政管理,90後(萌新作者進階計劃)女學員,科學領域文章創作者.

所獲榮譽:#宇宙的秘密#征文比賽三等獎、#科學知多少#征文比賽三等獎、#青雲計劃#文章獲獎者、

創作目的:每天毫無保留地發表一篇有關太空生物學(天文學、生物學、化學、物理學、地質學)等多門學科的交叉科學知識文章,歡迎關註,相互學習。

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