关注者
751
被浏览
66229

19 个回答

谢@袁霖 邀 (捂脸

先咬文嚼字一下:中微子振荡并不直接告诉我们中微子有质量。它说的是:中微子有三个非简并的质量本征态(对应三个不同的质量本征值)。亦即,如果三个态都有质量,但质量相同,是看不到中微子振荡的。正因为如此,中微子振荡能给出的只是态之间的质量差。至于最轻的那个态究竟其质量是不是0,这仍然未知(就我所知。如果有方法可以测最轻的那个质量,请告诉我。)也因此,三个质量本征态对应的质量绝对值也是无法从中微子振荡得来的。

意义什么的哈哈哈已经说得很好了(嘛,个人觉得意义什么的无所谓啦,反正煮不在乎。活着的意义就是活着本身,研究的意义也在研究本身。至于应用价值,目前是没有。宇宙中中微子无处不在,可是因为相互作用太弱,人类绝少有手段按自身意志去干涉它们的运动),我就说一下这个振荡究竟是怎么回事吧。

先码字,大概周末会再加配些图。

中微子振荡的起源在于它有两组本征态:弱相互作用本征态与质量本征态。

弱相互作用本征态:顾名思义就是能把弱相互作用哈密顿量对角化的本征态,分别是|\nu_e\rangle|\nu_\mu\rangle|\nu_\tau\rangle,它们分别与电子、mu子、tau子在弱衰变下成对出现:W^+\to e^++\nu_eW^+\to \mu^++\nu_\muW^+\to \tau^++\nu_\tau。一般实验室里是通过beta衰变产生的中微子:

(最早中微子被发现也是因为beta衰变中的能量蜜汁消失),因而刚产生时的中微子是处在弱相互作用本征态的。

质量本征态:顾名思义,即是哈密顿量中的质量项对角化时所对应的态,记为|\nu_1\rangle|\nu_2\rangle|\nu_3\rangle,对应的(静)质量分别是m_1m_2m_3(不是一般性地取m_1<m_2<m_3)。这三个态(在海森堡绘景下)在中微子自由传播时是不变的(不会跑着跑着(静)质量变了)。

产生是按照弱相互作用本征态产生,而传播则按照质量本征态传播,这就是振荡发生的缘由

假设初始产生了一个电子中微子|\nu_e\rangle,自然,它可写作三个质量本征态的线性组合:|\nu_e\rangle=c_1|\nu_1\rangle+c_2|\nu_2\rangle+c_3|\nu_3\rangle|c_1|^2+|c_2|^2+|c_3|^2=1以保证归一性)。经过一段时间传播后,因为三个质量本征态对应的质量不同,导致它们的传播速度上有异,从而让三个态间出现相差(当最轻的那个走完一个周期时,其余那俩可能只走完了半个或1/3个周期),于是在传过一段路程后,这个态就演化为:|\nu~^\prime\rangle=c_1|\nu_1\rangle+c_2e^{i\phi_{12}}|\nu_2\rangle+c_3e^{i\phi_{13}}|\nu_3\rangle。这就不再是原来那个电子中微子态了。此时这颗中微子还是电子中微子的几率是|\langle\nu_e|\nu~^\prime\rangle|^2=||c_1|^2+e^{i\phi_{12}}|c_2|^2+e^{i\phi_{13}}|c_3|^2|^2\leq1,同时它还有一定几率成了mu子中微子或tau子中微子。

实验操作上,可以在管道一端以beta衰变产生出一簇电子中微子,隔断距离后以一簇mu子去轰击,测量下有多少mu子变成电子了(\mu^-+\bar\nu_\mu\to e^-+\bar\nu_e),就知道当地有多少(从电子中微子变出来的)mu子中微子了,从而把相差测出来反推质量差。当然,kajita的实验好像不一样。

因为,如前所述,这种方法测不出中微子的质量绝对值,甚至在测得质量差后,确定这个差值究竟是哪两个态之间的都有困难,因而还是有很多工作值得做的。
中微子是我们物质世界的一种基本粒子,和电子、夸克等都是宇宙的基本组成单元。不过它的穿透能力很强,和普通的物质基本不会发生相互作用,比如1MeV的电子顶多穿透2mm的铝,而相同能量的中微子则可以轻松的穿过整个地球。

在粒子物理中,有一个叫做“标准模型”的理论模型来描述各个基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型对夸克、轻子和波色自的预言十分准确,特别是前几年拿了诺奖的上帝粒子--Higgs粒子就是标准模型中预言的最后一种粒子。虽然标准模型在过去的几十年间获得了巨大的成功,不过它也有一些小小的瑕疵,就像19世纪末的经典物理学一样,标准模型无法描述暗物质的存在,也无法描述暗能量是个什么东西,不过毕竟暗物质和暗能量还没有被正式发现,标准模型还不需要太担心。

但是中微子振荡则不一样,它是目前唯一直接超出标准模型的实验结果。在标准模型中,中微子分为三代,电子中微子、缪子中微子和陶子中微子,它们的静止质量严格为0,它们要遵循轻子数守恒,不能相互转变。但是实验上却发现,不同代的中微子之间确是可以互相转变的,就是所谓的中微子振荡。这种现象要求中微子具有质量,超出了标准模型。

简单的说,一个核反应堆如果产生了100个反电子中微子,而我们在1公里外观测,只能看到95个,另外5个转换成了缪子中微子和陶子中微子。

中微子振荡的现象是上世纪60年代美国科学家戴维斯首次发现的(戴维斯是95年诺奖获得者),他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子,发现数据只有理论预期的三分之一,这在当时被称为太阳中微子之谜,科学家们不知道这些中微子去了哪里,不过今年诺奖之一的SNO实验在2000年左右确认,这些电子中微子也是振荡到了另外两种。

中微子的来源有很多,高能宇宙线和大气层相互作用会产生中微子,太阳核聚变会产生中微子,反应堆中核燃料衰变也会,地球内部的U和Th衰变也会。这些不同来源的中微子都会发生振荡,而今年诺奖的日本实验SK就是发现了大气中微子振荡,SNO就是确认了太阳中微子振荡。

目前中微子是粒子物理的一个热点研究领域,很有可能是下一代物理的突破点。而我国在这个领域也处于世界前列。2007年开始建设的大亚湾中微子实验是研究距离核反应堆2km处的中微子振荡,在2012年3月全球首次测量到该振荡模式。如果说SK首次测量到的是中微子第二代和第三代的振荡,SNO确认了第一代和第二代之间的振荡,大亚湾实验则是首次测量到第一代和第三代之间的振荡。不过我们并不奢望诺奖,毕竟中微子振荡已经被确认这么多年了。

中微字振荡是按照正弦和余弦的规律进行,三种振荡的振幅已经都被测量出来,不过还有两种频率尚未确定清楚。这是国内外下一代中微子实验的焦点,包括我国的江门中微子实验,日本的HyperK实验,美国的DUNE实验,还有南极的IceCube实验。如果这个频率在未来十年能够被测定,中微子振荡的下一个问题就是CP破坏,也就是正反中微子的区别,这有可能能够解释目前宇宙中为什么物质远多于反物质。

我国的大亚湾实验的一个重要意义就在于,它确认了一三振荡的幅度足够大,在目前的技术水平下,中微子振荡的频率和CP破坏都可能被测出来,所以从2012年后,世界上的中微子实验开始不断加速。或许我们有生之年能够看到宇宙中反物质消失之谜。

最后一部分,关于中微子的应用。目前关于中微子的研究都是基础科学的研究,也就是在积累对中微子性质的理解,尚未能够应用于日常生活中,不过引用科学网曹俊老师的一段话“四百年前,丹麦科学家第谷仰望星空三十年,积累了大量的天文数据,由他的弟子总结成开普勒三定律,这是牛顿提出牛顿力学的重要依据。谁能想到,天天盯着星星看而窥得的行星运动的奥秘,几百年后却成为我们修造高楼大厦、桥梁、飞机、汽车、发射飞船卫星的根本?今天的科学将是明天的技术。从基础科学研究到技术转化需要一代代科学家们的持续努力。”

就目前而言,中微子已经成为天文学和地质学的一种探测工具,超新星爆发会施放大量的中微子,地球内部的核衰变也会施放中微子,这些中微子是研究天体物理和地质的新工具。从自然科学的历史来看,每当科学家多出一种探测世界的手段,对应学科都会有突飞猛进的发展。引用一张图片,侵删
这是宋代著名超新星爆发后的遗迹--蟹状星云,图中可以看到它在不同波段的不同性质,科学家会很好奇,在中微子的视角中,它会是什么样子呢?

最后广告一下,我们正在写关于中微子和大亚湾实验的科普书,希望能借着这次诺贝尔奖的风大卖特卖