给喜欢物理的孩子写一个故事:追踪中微子

给喜欢物理的孩子写一个故事:追踪中微子

现在各种信息网上都有，我只是写一个简单的故事。

人类一开始发现核裂变的时候，有一个疑惑。中子衰变的时候，变成一个电子加一个质子。这两个带相反的电荷，所以在观测粒子的云室里加了磁场走反方向转的螺线。但是，实验发现，这个衰变放出的能量，也就是电子和质子的动能加在一起，不是个常数。能量不守衡，动量也不守衡，因为经常两个粒子并不是往反方向走，能量也多少不一。

于是有有人合理猜想，另有一个不带电的粒子同时被释放出来，质量很小，把它加进去才能同时满足能量和动量守衡。给它起个名字，叫中微子（NEUTRINO-NEUTRI=中性，-NO=微小）。

这中微子概念上被提出来，很多年一直没有被人看到过。按正常思维，放出三个高能粒子，应该周围物质被激发观察到三个事件，但是一直到五十年代才利用核反应堆里发生的辐射直接观察到它的存在。

那么下面要做的一件事，是说你说它是没有静止质量的，这个需要验证。怎么验证呢？没有静止质量的粒子（比如光子），它在真空里的速度是一定的，跟能量没关系。但是有静止质量的粒子，能量越高，速度越大。所以，假如同一时间产生一组能量不一的粒子，经过很长距离传播以后，能量高的会比能量低的先到达。

这件事说得容易做得难。因为中微子谁也不爱搭理，可以毫发无损地穿过地球或者你和我（不必害怕，因为它跟物质基本不作用，不会在你体内产生辐射伤害），科学家花了几十年费了老大劲一共也没抓住几个中微子，都是分散事件，不足以用来做这个研究。

希望在哪里呢？超新星爆炸坍塌的时候，会在极短时间内放出巨大能量，主要是中微子。所以，会有足够的中微子在差不多的时间到达地球。

可是，超新星是极其稀少的事件。科学家造了几个装了五万加仑的纯净水的水缸周围装满探测器，来守株待兔。等了很多年一无所获。

1987年的某一天，一个天文学家在智利的天文台工作。他夜里出来透口气，往天上一看，发现熟悉的大麦哲仑星云里出现了一个原来没有的亮点。发现新星了！

他极其兴奋，赶快跑回去通知同事，以及全球的天文学家，掉转所有能用的望远镜来观察这个极为稀少的事件。

肉眼观察到新星爆发，上次是在将近五百年以前。。

很快，从那几个大水缸传来好消息，日本的装置在五秒的时间间隔里探测到八个中微子，能量的探测有一定不确定度，基本是到达时间和能量呈线性关系。

这个新星，距离地球十七万光年，也就是说这个事件早在现代人类还没出现就已经发生了。经过十七万年的漫长旅途，这些中微子陆陆续续来到地球。

从这个八个点的数据，推导出中微子静止质量的上限，是电子的百万分之一。

这是非常重大的结果。当时有人开玩笑，这次一共没抓住几个中微子，但是产生的文章可是比抓住的中微子多了好几倍。。。

这个研究成果，被授予2002年诺贝尔物理奖，这离那八个中微子的发现，又是十五年过去了。

主持这个项目的小柴昌俊教授，此时已经七十六岁了。他活到2020年去世，在他有生之年，目睹了下一代科学家用另外一种方式验证了中微子的质量。这个结果，获得2015年诺贝尔奖。而这和当初中微子的假设提出，已经八十年过去了。。。

科学研究，经常是需要几代人前赴后继的努力。

http://spiff.rit.edu/classes/phys200/lectures/sn1987a_2/sn1987a_2.html

[桃木]

动量能测出来吗。

[borisg]

回复 '新林院' 的评论 :

哈哈，你是认真的人。这个实验，为了避免宇宙射线打到水了也会发生电离淹没很微弱的信号，把水箱放在一千尺的地下坑道里。在50000加仑水，也就是人体的2000倍体积以上里，只有八个信号。也就是说，在地面上的人，平均几百个才会有一个，在这次事件里被中微子打中。而一个人常年在地面上接受的不是中微子但是同样可以引起电离的宇宙射线每秒以百计。所以超新星这种事件并不增加人的放射风险。

[新林院]

【（1）不必害怕，因为中微子跟物质基本不作用，不会在你体内产生辐射伤害）
（2）大量中微子穿过那个水缸然后从地球另一面出去，只有个别和电子碰撞，把电子从原子里敲出来。】
多谢科普。
有个问题：
（1）和（2）是互相矛盾的。把电子从原子里敲出来，就会在体内产生辐射伤害。
（1）和（2）怎么 reconcile?

[borisg]

中微子有很小的与电子的散射截面，大量中微子穿过那个水缸然后从地球另一面出去，只有个别和电子碰撞，把电子从原子里敲出来。电子是带电粒子，在水里会减速释放出电磁波。所以在这五分钟里水缸里闪了几下光，这就是中微子被探测到的记录。从各个光信号的强度推测出中微子的能量。

[桃木]

写的很清楚。中微子这么小是用间接方法探测出来的吗。