历史上八个著名的中微子实验

1、历史上八个著名的中微子实验据国外媒体报道，2011年年底，意大利opera实验室的科学家公布了一个令人难以置 信的发现：中微子的移动速度似乎超过光速。这发现违背了著名物理学家爱因斯坦的理论: 光速不可超越。今年二月，opera研究人员发现，实验设置屮出现了一些小问题，才导致出 现屮微子速度快于光速的结果。这项屮微子实验讣人一惊一乍，同时也表明科学未知领域的 复杂性和神秘性，尤其是中微子领域。纵观历史上所有的中微子实验，虽然取得了一些振奋人心的结呆，但并没有得到能够真 正挑战爱因斯坦相对论的实质性结果。尽管实验结來仍然令科学家迷惑不解，但也帮助科学 家对白然世界了解得更多，同时也解决了不少理论上

2、的谜团和难题。以下就是丿力史上著名的 中微子实验：1、日本super-kamiokande中微子实验上图所示的是fl本super-kamiokande中微子实验环境，研究人员正朋着一艘小船行驶 于其中。这个探测器由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成。中微子是组成自然界的最基本的粒子之一，极其微小，对于宇宙中的每一个质子或电子 来说，可能都至少冇10亿个中微了。这种无处不在的粒子从宇宙大爆炸后儿毫秒内就开始 存在，在元素的放射性衰变屮、恒星的核反应中以及超新星爆炸过程小都会产牛新的小微了。 它们与物理学许多领域都存在紧密联系，所以科学家需要弄清处，中微子究竟是如何工作的。 美国

3、洛斯阿拉莫斯国家实验室(los alamos national lab) “迷你升能器屮微子实验(miniboone neutrino experiment) ”项目发言人、物理学家比尔路易斯介绍说,“它们 是宇宙中的一种主要粒子，但我们至今对其知之甚少。”小微子z所以难以理解，主要原因在于它们儿乎不能与其它物质结合。与常见的电子不 同的是，中微子没有电磁电荷：它们质量非常轻，以致于科学家们长期以来一直认为它们根 本没冇质量。中微子撞击到英他粒子时，会产牛可观测到的变化，探测它们需要紧密监测 人容器物质(如水)。加拿大萨德伯里中微子实验2、加拿大萨德伯里中微子实验看看你的指甲：毎一秒大约有65

4、0亿个中微子通过你的指甲。儿乎所有的中微子都产生 于太阳内部巨人的核反应堆屮，屮微子之屮包含有太阳内部的重要信息，所以天文学家希望 能够捕获这些屮微了。1964年，物理学家雷-戴维斯(ray davis)和天文学家约翰-巴卡尔 (john bacall)在美国南达科塔州的霍姆斯塔克矿中建立起一个实验环境用于发现这些中微 to这种探测器需要建于深深的地下，是因为闯入地球人气层的宇宙射线可能会干扰实验结 果。在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后，研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们 的计算，太阳的屮微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此，科学家们从头再來，试图寻找计算过程屮的错课和漏洞，并更

5、正估算结果。但是，他们仍然无法发现门己错在哪里。 舉姆斯塔克实验运行了 30多年，总是得出同样的结果。天文学家怀疑h己的太阳模型可能 是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时，研究人员发现了中微了其 实冇三种不同的类型，b衰变过程中或太阳内部产生的中微了是电了中微了，而其他过程中 产生的粒子则是缈子屮微子为涛中微子，霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。在从 太阳飞往地球的过程屮，电了屮微了会转变成其他类型。因此，霍姆斯塔克实验就无法探测 到其他两种中微子。随着新探测器的出现，三种中微子都被探测到，那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此询，一些科学家认为中微子没有质量，而

6、不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质虽。2001年，加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所冇三种来自太阳的中微了。uoio kmvtu a«. rad 10 g ram m rad 10 g ram m 仙o 加ezj116 wh chicago i li131156 14 13in“via radiesuisse*newyorkchjffadiffi10prof. w paulizurich university zurichnachlas974 1诃56professor w paul inachlassprof. w, paulilosfo)we are happy to inf

7、orm you that have definitely detectedneutrinos from fission fragments ”y obsehvihg 1mverse beta decayof protousohsepved cross section agrees well vi th expected sixtimes ten 10 minus forty four- centimeters丈比frederick re ines and clyde co：，*七多.斤*4hr 怜 im x 199 1/mwww.8tock5tar.com发现中微子实验3. 发现中微子实验木图

8、所示内容为，美国物理学家克莱徳-科77'(clyde cowan)和弗里徳里奇-雷恩斯 (frederick reines)宣布发现中微了的电报。1956年，研究屮微了的物理学家们有了新的 研究手段。在中微了被假定存在的最初25年内，美国人在原子武器项冃中建起了多个核反 应堆。许多研究人员认识到，这些核反应堆每秒每平方英寸(约6. 45平方厘米)内辐射出300 万亿个屮微子，因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合，但是也存在 种微弱的可能性，即存在足够多的物质，个屮微了应该可以撞击到某种事物。在b衰变的 反过程中，这种直接撞击可以产生伽马射线。当时，物理学家克莱德-科万和

9、列里德里奇- 雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗來纳州萨瓦那河电厂附近，只要反应堆开启，他们的 实验就有可能首次探测到屮微了。两位科学家用强人的核反应堆作实验，终于比较精确地获 得了中微了存在的确凿证据。虽然科万于1974年就已去世，但雷因斯却因此于1995年荣获 诺贝尔奖。4、b衰变美国伊利诺伊州西北人学的理论物理学家安徳烈(andre de gouvea)说：“屮微了的发 现有一个不寻常的历史。”科学家们最早是在b衰变过程屮开始关注这种微型粒了的。20 世纪初，研究人员注意到b衰变中的一些奇怪现象。如果释放出来的粒了只冇电了，那么b 衰变这个过程似乎违背能虽守恒和动量守恒的物理学左律。当时

10、没冇人知道为什么会出现 这种现象。然而，在每个新实验结果中，违背物理学定律的证据变得越来越有力。20壯纪 30年代，物理学家沃尔夫冈-保罗(wolfgang pauli)始怀疑，核衰变过程可能比此前认为 的更复杂。如果一个原了在b衰变过程中也辐射出其他事物，那么这些违背物理学定律的才 盾就迎刃而解了。这种所谓的其他事物，应该就是屮微子。但是，如果屮微子存在，它们必 须非常轻，而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒了，也没有人想到较好的办法去 发现它们。在相当长一段时期内，科学家一直认为探测中微了是不可能的。imb探测器5、imb探测器木图所示,一名潜水员在美国俄亥俄州的imb探测器(the

11、 irvine-michigan-brookhaven detector)屮游泳。这个探测器建造于上卅纪80年代初，木来用于探测质了是否衰变，反而 帮助科学家发现了大气中微子的振荡。上世纪80年代，科学家被一个与中微子无关的问题所闲扰。一些理论家认为，被公认 为稳定的粒子一质了应该可以衰变成更轻的亚原了粒了。如果这一说法正确，那么这将是物 理学家长期以來梦寐以求的结果，从而可以形成一个统一的理论，将电磁作用力、强作用力 和弱作川力理论融合在一起。如果质了会衰变，这将会对地球上的生命造成很大的麻烦，人 体内的原子町能混乱地转变成其他元素。因此，理论家认为，质子町能会衰变，但速度极为 缓慢，吋间表

12、甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。为了验证这一结论，科学家们在一个盛满水的人容器中监测质子的数量。为了保证实验 不受干扰，实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微了，这些中 微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像个衰变的质子，因此研究人 员需要弄清处他们可能会看到多少中微子。在测量过程中，科学家们发现了非常怪界的现象。 來自实验环境以匕的中微了要远远多于下部抵达的中微了，比例大约是2： 1。历经10年的 困扰，科学家们终于发现，中微子在飞行过程中，来口地底的中微子有时间转变成不同类型 的屮微了，由于实验设备只对一种屮微了敏感，因此就错过了发生变异的其他屮微

13、了。这一 发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。本来用于探测质子的实验，发现了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然没有人能 够发现质子衰变。液体闪烁器中微子探测器实验6. 液体闪烁器中微子探测器实验木图所示，一位物理学家蹲在液体闪烁器中微子探测器中。液体闪烁器中微子探测器(lsnd)发现了电子反中微子,因此闻名于世。1993年,科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验 室中建造了液体闪烁器中微子探测器,他们的目的就是弄清处中微子是否能够从- 种类型转 变成另一种类型。对于这一怪界的发现，最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微 子探测器的发现表明对能存在笫四种或更多类烈的中微子。第四

14、种中微子的存在将对现有的 粒了物理学模型发起巨人的挑战，但它也可以用来解释某些未解谜团，如超新星爆炸的细节 等。不过，许多研究人员仍然对液体闪烁器中微了探测器的发现持怀疑态度，这一发现乂成 为屮微了物理学屮的大谜团。迷你升能器中微子实验7. 迷你升能器中微子实验本图所示场景为迷你升能器屮微了探测器(miniboone detector)的墙壁。美国费米实 验室科学家从2002年起开始启动新的探测实验一 “迷你升能器中微子实验”，该实验的目 的就是证实或否定液体闪烁器中微了探测器实验的发现成果。他们最初的结果似乎证明液体 闪烁器中微子探测器实验结果有误，但是进一步的实验数据发生了变化。“迷你升能器中微 子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说，“现在看起来，迷你升能器中微子实 验与液体闪烁器小微/探测器实验的结果是-致的。”两人实验的结果表明，仍然存在许多 怪杲现象。屮微了科学家们需要建造更多的探测器和实验设施公解答这吐谜团。long baseline neutrino experimentwww.stoc