學(xué)霸的科幻世界 第五百一十三章 第四種中微子

“龐教授，你的意思是，理論上可能存在第四種中微子，這種中微子沒(méi)辦法通過(guò)z玻色子衰變觀測(cè)到？”

中科院高能物理所的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，高能物理研究所所長(zhǎng)喬安華看著龐學(xué)林，皺眉道。

過(guò)去半年間，龐學(xué)林也沒(méi)閑著。

提出地球大炮工程的同時(shí)，也貢獻(xiàn)了不少數(shù)學(xué)、物理領(lǐng)域的頂級(jí)論文。

有些是他以前的科研成果，有些干脆源自于系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)。

因此，目前在科學(xué)界，龐學(xué)林的名號(hào)算的上響當(dāng)當(dāng)。

這也是他提出有可能存在第四種重中微子，喬安華沒(méi)有直接反駁的原因。

龐學(xué)林點(diǎn)頭微笑道“按照我給出的模型計(jì)算結(jié)果，確實(shí)應(yīng)該存在這樣一種重中微子。”

“可是……為什么我們到現(xiàn)在都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種中微子的存在？”

喬安華問(wèn)到了問(wèn)題的關(guān)鍵。

人類(lèi)第一次探測(cè)到中微子，是1956年美國(guó)物理學(xué)家萊尼斯和科恩小組，利用薩瓦納河工廠的反應(yīng)堆，進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆產(chǎn)生強(qiáng)大的中子流并伴有大量的β衰變，放射出電子和反中微子，反中微子轟擊水中的質(zhì)子，產(chǎn)生中子和正電子，當(dāng)中子和正電子進(jìn)入到探測(cè)器中的靶液時(shí)，中子被吸收，正電子與負(fù)電子湮滅，產(chǎn)生高能γ射線，從而來(lái)判定反應(yīng)的產(chǎn)生。

雖然反中微子通量高達(dá)每秒每平方厘米5x10的13次方個(gè)，但當(dāng)時(shí)的探測(cè)記數(shù)每小時(shí)還不到3個(gè)。

1983年，物理學(xué)家在日本岐阜縣利用“切倫科夫輻射”原理建立了超級(jí)神岡探測(cè)器。

超級(jí)神岡探測(cè)器的主體部分是一個(gè)建設(shè)在地下1000米深處的巨大水罐，盛有約5萬(wàn)噸高純度水，罐的內(nèi)壁則附著11萬(wàn)個(gè)光電倍增管，用來(lái)探測(cè)中微子穿過(guò)水中時(shí)發(fā)射出的切倫科夫光，從而捕捉到中微子的蹤跡。

所謂切倫科夫輻射是指當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中穿行時(shí)，其速度超過(guò)光在介質(zhì)中的速度u時(shí)就會(huì)發(fā)生切倫科夫輻射，發(fā)出切倫科夫光。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)中微子束穿過(guò)水中時(shí)，與水原子核發(fā)生核反應(yīng)，生成高能量的負(fù)μ子。由于負(fù)μ子在水中以099倍光速前進(jìn)，超過(guò)了水中的光速（075倍光速），所以它在水中穿越六七米長(zhǎng)的路徑便會(huì)發(fā)生“切倫科夫效應(yīng)”，輻射出所謂的“切倫科夫光”。

這種光不但囊括了038076微米范圍內(nèi)的所有連續(xù)分布的可見(jiàn)光，而且具有確定的方向性。

因此，只要用高靈敏度的光電倍增列陣將“切倫科夫光”全部收集起來(lái)，也就探測(cè)到了中微子束。

從某種意義上說(shuō)，這也是中微子通信技術(shù)的基本原理。

而現(xiàn)在，已經(jīng)是2075年，不同種類(lèi)的中微子探測(cè)技術(shù)早已成熟，但除了此前提到過(guò)的三種中微子外，人類(lèi)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)第四種中微子的存在。

理論部分和實(shí)驗(yàn)，要么是理論有問(wèn)題，要么是實(shí)驗(yàn)存在問(wèn)題！

站在喬安華的角度看，怎么都是龐學(xué)林的理論有問(wèn)題。

龐學(xué)林微微一笑，說(shuō)道“喬教授，我們現(xiàn)在是怎么確定中微子的不同分類(lèi)的？”

喬安華想了想，說(shuō)道“從實(shí)驗(yàn)角度來(lái)說(shuō)，中微子按照總是（量子力學(xué)的幾率效應(yīng)）伴隨它們一起參與弱反應(yīng)的輕子來(lái)分類(lèi)。”

“比如發(fā)現(xiàn)中微子的anrees實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們先假設(shè)核反應(yīng)堆里進(jìn)行著的β衰變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中微子。這些中微子從反應(yīng)堆里飛出來(lái)后，在反應(yīng)堆外放置適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)裝置進(jìn)行探測(cè)。裝置中盛放的液體（氯化鎘）含有大量質(zhì)子，理論預(yù)期中微子與質(zhì)子有逆β衰變反應(yīng)。其中正電子可以與探測(cè)液體中的電子發(fā)生湮滅產(chǎn)生光，然后通過(guò)光電效應(yīng)傳感器讀出這一光信號(hào)（以及光信號(hào)到達(dá)的時(shí)間、能量等等）。而中子可以被液體中的重金屬（鎘）吸收然后放出光，這個(gè)過(guò)程稍慢點(diǎn)。anrees實(shí)驗(yàn)看到了前后兩個(gè)光信號(hào)，且光信號(hào)符合預(yù)期，那么就說(shuō)存在逆β衰變反應(yīng)，進(jìn)而證明了存在中微子。”

“對(duì)這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析，正負(fù)電子湮滅產(chǎn)生的光信號(hào)說(shuō)明了核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子伴隨著正電子出現(xiàn)，所以這個(gè)實(shí)際上為反電子中微子。早期的太陽(yáng)中微子發(fā)現(xiàn)者ray

davis曾嘗試過(guò)同樣利用核反應(yīng)堆的中微子，用這一反應(yīng)來(lái)檢測(cè)。但是從核反應(yīng)堆他得不到預(yù)期的結(jié)果。后來(lái)這一同樣反應(yīng)被用在探測(cè)太陽(yáng)中微子上，是可以看到結(jié)果的。這個(gè)說(shuō)明伴隨著e和e反應(yīng)的中微子是不同的。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的是反電子中微子，而太陽(yáng)核反應(yīng)產(chǎn)生的是電子中微子。這個(gè)的根本原因來(lái)自于核反應(yīng)左右兩邊除了要求電荷守恒外，還要求輕子數(shù)守恒。正電子、反電子中微子的輕子數(shù)記為e，電子、電子中微子的輕子數(shù)是e。”

“其后，lederan等人研究加速器里產(chǎn)生的中微子。加速器中產(chǎn)生的中微子主要來(lái)自π介子衰變。他們期待兩個(gè)逆β衰變反應(yīng)。然而，他們沒(méi)有觀測(cè)到反應(yīng)1，只有反應(yīng)2。這個(gè)說(shuō)明加速器產(chǎn)生的中微子，在逆β衰變反應(yīng)過(guò)程中總是伴隨著正繆子而非正電子。繆子和電子的性質(zhì)相仿，但質(zhì)量更大。它們歸類(lèi)為輕子。這說(shuō)明輕子數(shù)守恒還要細(xì)分成電子輕子數(shù)守恒和繆子輕子數(shù)守恒。因此他們觀測(cè)到的須是反繆子中微子。”

“第三種中微子在更高能量的加速器tevatron上被發(fā)現(xiàn)(donut實(shí)驗(yàn))。跟之前類(lèi)似，它們?cè)诜磻?yīng)時(shí)伴隨著陶子。陶子也是輕子的一種，但是質(zhì)量更大，甚至大于質(zhì)子，因此需要更大的能量來(lái)制造（由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程），這也是陶子和陶子中微子發(fā)現(xiàn)得較晚的原因。類(lèi)似地，對(duì)陶子也要引入了一個(gè)陶子輕子數(shù)。其中，中性流通道對(duì)所有種類(lèi)中微子都能探測(cè)，帶電流通道只能探測(cè)電子中微子，而與電子的彈性散射反應(yīng)中，電子中微子的反應(yīng)幾率更高。這樣通過(guò)分析中性流通道的探測(cè)結(jié)果，可以得到所有種類(lèi)中微子的總量，而分析帶電流探測(cè)結(jié)果可以得到電子中微子的量，從而算出電子中微子的轉(zhuǎn)化概率。”

喬安華不疾不徐，將如何分別三種不同種類(lèi)的中微子跟龐學(xué)林講述了一遍。

龐學(xué)林微微一笑，說(shuō)道“喬教授，你應(yīng)該知道，不同味的中微子，可以通過(guò)中微子振蕩進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，那你有沒(méi)有考慮過(guò)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生新的中微子呢？”

喬安華微微一愣，不解地看著龐學(xué)林道“龐教授，你的意思是？”

龐學(xué)林道“我的想法是，是否存在一種惰性中微子，比如電中微子轉(zhuǎn)化成陶中微子，首先通過(guò)中微子振蕩，轉(zhuǎn)化為這種惰性中微子，然后再由這種惰性中微子轉(zhuǎn)變?yōu)樘罩形⒆樱罩形⒆愚D(zhuǎn)化為繆中微子時(shí)，同樣通過(guò)這種惰性中微子進(jìn)行轉(zhuǎn)化，只是這個(gè)過(guò)程的時(shí)間太短，以至于我們現(xiàn)在都沒(méi)有足夠的辦法進(jìn)行檢測(cè)！”

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