每一秒钟有万亿个中微子穿过人体,可为什么我们感受不到?

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  中微子

  中微子是出了名的难找,这种粒子让许多科学家吃尽了苦头。要知道,同样是粒子,电子在19世纪末,就被汤姆逊找到了。

  

  但是直到21世纪初,科学家才把三种中微子都找全。那为什么中微子这么难找?

  我觉得总结下来,一共有3点:

  1. 质量极其小

  2. 不参与电磁相互作用

  3. 中微子振荡

  我们一点一点聊:

  质量极其小的中微子

  我们现在知道中微子一共有三种,我们把这称为“三味”,2019年7月,3-D MegaZ DR7星系研究组曾发表他们测定的三味中微子的质量只和的上限是0.28 eV/c^2;

  到了2013年,又有一个科学小组发布了他们的测定质量是0.23 eV/c^2;

  到了2014年,基于普朗克卫星对于宇宙微波背景辐射的测定结果,这个数值改到估值为0.320 ± 0.081 eV/c^2。

  这是个什么概念呢?

  我们先在理解一下什么是eV/c^2,这里eV其实是电子伏,是能量单位。在爱因斯坦的狭义相对论中,有一部分内容是质能等价,说的是质量和能量其实是一回事,它们之间是有对应关系的,可以通过质能方程E=mc^2来进行换算,如果我们简单的移项,就会得到m=E/c^2,看到了吧?这里的E/c^2就和上面中微子的质量后半部分是一样的。

  

  我们说回到质量,在粒子物理标准模型当中,在轻子中,除了中微子之外,最轻的就是电子了,它的质量大概是0.511 MeV/c^2,这里M指的是兆,其实也就是英文million的意思,意思是百万,也就是代表10^6。

  我们把它们的质量单位统一一下,再来比较一下:

  三味中微子的质量只和:0.320 ± 0.081 eV/c^2。

  电子的质量:5.11*10^5 eV/c^2。

  这回感受到了吧?这差出了6个数量级

  正是因为中微子质量实在太小,上世纪30年代左右,物理学家一直找不到它,但是他们发现,β衰变前后(也就是中子发生衰变,生成质子+电子+中微子,但是当时他们在产物没有找到中微子),咋出现了质量的缺失,就是找不到缺失的是什么。

  

  为此,尼尔斯·波尔,量子力学哥本哈根学派的领袖,一生多次挫败爱因斯坦的物理学大神,甚至要放弃能量守恒定律。

  

  不参与电磁相互作用

  在自然界中,存在着四种相互作用,强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力。这四种相互作用是有作用范围和强度区别的。

  其中强相互作用是最强的,但作用范围只有10^-15,只限于原子核的尺寸,电磁相互作用的强度仅次于强相互作用,弱相互作用属于比较弱的,排行老三,作用范围比强相互作用还要小。而引力则是强度最小的,我们之所以能够明显感受到引力,主要还是宇宙中的天体够大。

  

  你拿一个磁铁就拿吸起来一个曲别针,其实这就说明,一个磁铁对于曲别针的电磁相互作用就强于地球对于曲别针的引力。

  

  而中微子其实很特别,它首先不参与强相互作用。更重要的是它显示出电中性,不参与电磁相互作用,当然由于质量微乎其微,引力对于它的作用效果同样可以忽略不计的,所以中微子最大的特点就是只参与弱相互作用。

  

  那这会带来什么问题呢?

  我们都知道光子吧?光子撞到物质上消失了是因为什么呢?说白了,电子就是被吸收了,这其实就是电磁相互作用的结果。不参与电磁相互作用,意味着中微子可以非常随着地穿过原子,毕竟原子核只占原子1%都不到的空间,原子几乎可以视为空心的。而且即使中微子穿过原子核,也不一定会发生弱相互作用,而只是有一点概率会发生。

  因此,中微子的穿透力特别强,我们的身体每时每刻都会穿过10万亿个中微子,但我们根本察觉不到。甚至有研究表明,中微子在宇宙中飞行1光年的距离,才有50%的概率会和这个路径上的物质发生反应。和中微子有类似效果的其实就是暗物质,也是不参与电磁相互作用和强相互作用,也是属于那种穿过你的身体,但你毫无察觉的东西。

  

  中微子振荡

  中微子不好找还有一个特别关键的情况,那就是中微子振荡。早期科学家观测太阳中微子,但是不管咋观测,都只观测到1/3的中微子,当然,当时只发现了一种中微子也就是电子中微子。后来,科学家陆续发现了另外两种中微子之后,才知道,原来三种中微子之间会互相转换。也就是说,电子中微子可能飞着飞着就变成了τ子中微子了在,这种神奇的事情也就只发生在中微子身上。

  

  正是基于这三点,中微子特别难找到,并且显示出极其强大的穿透力,让我们很难感知到。科学家为了观测到中微子,可以说是费劲心机,一般这些观测实验室都要建在地下数百米甚至千米,这样才能排除宇宙射线的干扰,然后就是备足足够的纯水以及精密的实验设备,日本神冈中微子探测器就储存着5万吨纯水,这就是用来观测中微子的。

  

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