暗物质的候选粒子——中微子之谜

羹 _j叠--一 一_ i■ 誊譬 _ _： ■“_ 一 一 ■ 。耍誊乏 一 一 一 譬 要一 一 -- 本文应广东省化州市下郭区珠台路2-8号 陈景旺 读者的要求而编写。他 提的问是 l‘‘我想了解·下中微子是-一种什么粒子 ’!。。 _ _ 一 一 — l 0． ．．． ． l一 一 一 一 叠 一 一 立 ▲ 一 一 暗物质 的候选粒子 ◆ 杜 仲／文 发现过去未知的事物，总是让人很激动，li~1：120 世纪末发现暗物质的存在。天文学家经过多年观测， 发现发光星体的质量只占整个宇宙总质量的很小一部 分，而大部分质量都属于不发光的暗物质!可是这种神 秘的暗物质是由什么粒子构成的，他们却一无所知。 多数物理学家猜测，中微子是构成暗物质的最可能的 候选粒子。 这就好比是 “用小洞堵大洞一～毫不中用”。因为 中微子本身也是一种神秘之物，还有大量的谜团未被 解开。解开了这些谜团，暗物质之谜说不定也不解自开 了。所以，我们还是先了解—下中微子的来龙去脉吧。 窃取能量的 J， ’ 中微子号称宇宙间的 “隐身人’。这是因为中微子 个头小，不带电，几乎不与任何物质发生作用，具有极 强的穿透力，要捕捉它非常不容易。比如，Ioo~个中 微子穿越地球直径那么厚的物质，只有1个会与物质 发生反应。所以，尽管宇宙中充斥着大量的中微子，但 从预言它的存在到发现它，科学家还是颇费了一番周 折。 要说中微子， 就 不 得 不 提它 的 “老大哥”一一 中 子。上世纪20年代， 科学家发现中子在 衰变成质子和电子 布广泛，而且还有若干种类 中 微 子 之 谜 的时候，能量会出现亏损。亏损的能量到哪里去了?丹 麦物理学家玻尔甚至断言，衰变过程中能量守恒定律 失效了。 玻尔在物理学界以思维大胆独特著称，可是当他 提出能量可以不守恒时，许多物理学家难以接受。这 时，奥地利物理学家泡利提出坚持能量守恒定律的一 种解释：在中子衰变的过程中，能量守恒定律仍然有 效，能量亏损的原因是中子在衰变过程中变成了质子 电子和另一种质量很小的、没有被探测到的中性粒子， 正是这种小质量粒子将能量带走了。 泡利预言的这个窃走能量的 “小偷”就是中微子。 这个解释暂时让大家松了一口气，但在没有探测到中 微子之前，物理学家的心头终究还是蒙着一层阴影。 1952年，美国科学家终于证实了中微子的存在，它现了 原形 。 中微子“变形记” 俗话说 “摸到了线头儿，就抽到了线球儿’’。自从 确认有这么一种与物质相互作用极弱的中微子存在之 后，科学家发现，中微子其实不止1种，而是3种 (分别 为电子中微子、 中微子和T中微子)。那么中微子是 否还有更多种类未被发现呢?根据上世纪9O年代在欧 洲核子中心正负电子对撞机上的实验结果，中微子最 多只有这三类，所以该找到的都已找到了。 中微子虽然很难探测，但其实在宇宙空间中大量 存在，估计每立方厘米就有100个。它们大多是在宇宙 大爆炸早期元素合成的过程中产生的。比如，每4个质 子合成1个氦原子核的过程中，就有2个中微子产生。这 星际交流 因为我存在，所以我思考。 48 大科技读者 我若为王 个元素合成的过程至今依然在太阳上每时每刻发生， 所以今天的太阳对我们来说是身边最大的中微子源。 关于太阳中微子，上世纪发生过重大的 “失窃” 案：科学家发现，在地球上探测到的中微子数量，远远 小于按照的太阳模型计算出的中微子数量!这个 谜维持了30多年，直~I]1998年才告破。原来，中微子虽 然有三兄弟，但它们之间却可以变来变去，就像 西游 记 里的白骨精一样，一会儿变成少女，一会儿变成老 妪，一会儿又变成少妇。在物理学上，这叫 “中微子震 荡”。原来，从太阳来的中微子到达地球时，一部分已 经变成了另两种中微子，可是地球上的中微子探测器 是专为探测一种中微子定做的，所以那部分发生变化 了的中微子自然就探测不到，“失踪”了。 中微子有无“肉身”? “中微子震荡”不仅证明了三类中微子之间可以 相互转化，而且还证明了中微子是有静止质量的，因为 没有静止质量，这种震荡就不会发生。而此前的中微 子理论一直认为中微子的静止质量为零。 ‘ 中微子有静止质量，正是这一点使人们把它跟暗 物质联系了起来。因为暗物质占了宇宙中物质能量总 和的23％，如果中微子连静止质量都没有，那当然就不 可能成为构成暗物质的候选粒子。 那么中微子的静止质量到底有多大呢?最常见 的一类中微子的质量在17电子伏特到41电子伏特之间 (你可以比较—下，在有静止质量的粒子中，除了中微 电子的质量是最小的，但也有0．511×10。电子伏特， 而中微子的质量是它的万分之一。两者之比，就好比一 粒米与半斤重的苹果之比)。第二种中微子的静止质量 不大于0．25×10。电子伏特，第三种中微子的静止质量 不大于8．4×i0 电子伏特。不要以为后两类中微子的静 止质量相当大，事实上，因为中微子的实验非常难做， 所以精度很低，只能给出一个很高的上限值，并不意 味着它们真有这么大的质量。 中微子的质量这么小，为什么还能成为暗物质的 候选粒子呢?我们知道，普通物质是由质子、中子等粒 子构成的，这些粒子叫重子，因为它们的质量相对来说 探测中微子的设备非常庞大，而且为了 排除其它粒子的干扰，还要深埋在地下 比较大。重子虽然在我们周围密度很大，但你要知道， 在宇宙的大部分空间里，它们是不存在的。所以，假如 把宇宙中所有的重子一平均，它们的平均密度其实是 非常小的。而对于中微子，它们几乎均匀地分布在整个 宇宙中，哪怕它的静止质量只有3电子伏特，它的质量 密度也比重子大4N13倍。所以精确测量中微子的静止 质量，对于解开暗物质之谜是很关键的。 · 中微子之谜还与宇宙中另一个重大问题有关：宇 宙大爆炸之初，物质和反物质的比例应该是相等的，可 是我们现在的宇宙是由物质构成的，那么，大量的反 物质到哪里去了呢?也许中微子能告诉我们一些线索 吧。 你瞧，这么一个性情孤僻、微不足道的粒子竟然 与整个宇宙的历史和未来的命运联系在一起，小块头 也有大贡献呢!④ 电子伏特： 电子伏特是粒子物理学中常用的能量单住，代 一 个电子经过1伏特的电场加速后所获得的动能。因为 质量与能量可以通过质能方程互相转换，所以在粒子 物理学中也常用做质量单位 ，l电子伏特=1．6 x 1O ’焦 耳。 星际交流 为真理奋战 大科技读者 叶云 49