抓鬼?其实人家真正的名字叫中微子,只是人家有一个绰号叫幽灵粒子。
这次中国科学家在地下七百米的深处,成功的用有机玻璃球抓到了十个。
央妈在报道的时候,将中微子戏称为鬼。
不过这次成功抓住中微子的事情,英媒在报道中说,中国领先美国整六年。
那么今天就来说说中微子。
中微子到底是一个什么东西?中微子属于一种轻子,是构成自然界最基本的粒子之一,通常用希腊字母V来表示。
将这句话分成两部分来理解。
其一,什么是轻子呢?
用科学的角度去解释,指的是不产于强相互作用的自旋为h/2的费米子。
科学的定义往往看起来越看越糊涂,简单的说,轻子是从质量上划分的,参照物是电子,只要质量上小于等于电子,就可以认定为轻子。
(注:在相当长的时间里,科学家认为中微子是没有质量的)
当然这么解释不准确,甚至是错误的,但不妨碍吃瓜人士的理解。
其二、自然界的基本粒子。
目前发现的基本粒子有十二种,中微子就占据了其中的四分之一。
因为中微子的类型又分为三个类型:电子中微子,缪子或μ中微子,陶子或τ中微子。
那么中微子作为基本粒子又有什么特点?值得让科学家们在地下七百米的深处去抓捕它?
宇宙的诞生,一种非常流行的说法是产生于一次宇宙大爆炸,而这场爆炸距今一百三十七亿年前发生的。
现在科学家推断,在这次宇宙大爆炸中,其实产生了两个世界,其一物质世界,其二反物质世界。
只不过随着时间的推移反物质世界消失了,当然也有科学家认为反物质世界并没有消失,而是藏了起来,藏到了一个人类至今没有发现的地方。
不过反物质世界是消失了,还是藏起来了,这并不是科学家们首要解决的问题。
首要解决的问题是,宇宙大爆炸的时候,反物质世界究竟有没有诞生。
那么想要搞清楚这个问题,就需要从中微子的身上去寻找,因为在宇宙大爆炸后的几秒钟,中微子就诞生了。
所以如果在宇宙大爆炸的时候,真的产生了反物质世界,那么中微子必然会携带着这些信息。
甚至有科学家认为,反物质世界之所以消失,形成人类所处的这个物质世界,其实就是中微子的作用。
举个最简单的例子,构成地球的大部分元素其实是超新星爆炸之后的产物,那么中微子在超新星爆炸的时候,是可以携带走爆炸时能量的99%。
厉害吧!
所以中微子携带的信息是非常的庞大。
说到这里,就会有一个疑问。
从宇宙大爆炸之后,物质世界经历了一百三十七亿年,中微子作为最古老的粒子,在如此长的时间里,难道不会发生点变化吗?
如果发生了变化,还能准确的解释一百三十七亿年之前发生的事情?
这就是问题的关键了,中微子除了质量非常的小这一特点之外,它还有一个特点,几乎不和周围的物质产生相互作用。
所以中微子自从诞生的时候是什么样子,那么现在依然是什么样子。
这同样是一个很好的特性,但随之而来就产生了一个问题。
中微子虽然无处不在,但它不会和周围的物质产生相互作用,那么想要发现它,就非常的困难,因为这个特点,它可以穿透很多材质。
比如:人体、地面、地球,甚至是太阳它都能轻松穿过。
那么用什么东西可以将中微子抓起来就是一个非常重要的问题,而且在抓起来之前,还要处理一个关键性的问题,怎么发现它。
毕竟它和周围的物质没有作用,所以只能通过一些物质及其微弱的反应,来确定中微子的存在,然后才能试着抓捕。
这就是为什么中微子被叫做幽灵粒子的原因,不容易看到,还不容易抓到。
那么中微子除了了解宇宙大爆炸之时的一些秘密之外,它还能做什么呢?
最有价值的一个作用就是传输信息,因为它连太阳都可以穿透,那就意味着使用中微子进行通信,就不会有通信中断的事情发生。
比如美国的费米实验室就做过类似的实验,他们在抓到的中微子上就成功的实现了通信,带宽达到了0.1bps,误码率只有1%。
那么这种强劲的通信能力,再深挖一下,中微子通信就可以在一些危险的地方进行工作。
比如说核反应堆这样的环境中,用中微子探测器对核反应堆实时监控。
抓捕中微子中微子如此重要,那么研究中微子就是必然的,但目前为止研究中微子的国家却屈指可数。
为什么呢?
有三个原因。
其一、上文中其实提到了其中一个原因,中微子因为不和其他物质发生反应,想要看到它还得从一些物质的微弱反应才能发现。
这样的能力,不是随便一个国家就可以有的。
其二、干扰。
在宇宙中存在着各种高能宇宙射线,虽然地球的磁场和大气层阻挡了大部分,但不可避免的还是有很多高能宇宙射线进入到地球。
那么在捕捉中微子的时候,这些高能宇宙射线就会对设备实施干扰。
所以就得想办法将这些高能宇宙射线给过滤掉,最好的方法就是将实验室建在地下,而且还必须是五百米以下的地下深处才行。
这样做还有一个好处,过滤掉高能宇宙射线的同时,还能将实验室的温度和湿度保持在一个恒定的范围,这样对抓到的中微子进行研究,就会将准确率和可靠性提高一个台阶。
其三、设备。深度有了,还得有相应的设备,其中最关键的一个设备叫做中微子闪烁探测器。
这个设备外观像一个超级大的罐子,里面装着几万吨的液体闪烁体,以及几万只光电倍增管。
其中的液体闪烁体被装在一个由钢材和有机玻璃设计的容器中。
如何抓捕中微子呢?
必须是大量的中微子穿透探测器,偶尔会激发这些液体闪烁体发出一些及其微弱的光。
(注:请记住必须是大量的中微子,还得是偶尔,发出的光还是及其微弱的)
那么这些液体闪烁体又是什么呢?
它有两种成分,其一是超纯水;其二是烷基苯。
烷基苯不解释,就说这个超纯水,这种水和日常生活中提到的纯水是不一样的,它是通过各种技术提炼出来的,电阻率达到18MΩ.cm的水。
18MΩ.cm是个什么概念呢?
绝缘体木头的电阻率是15MΩ.cm,所以超纯水比木头还要绝缘。
再有前边提到的光电倍增管,这些东西是将中微子在闪烁体上表现出来的光信号抓住,然后转变成电信号给科学家们看。
关键在变成电信号的时候,因为信号及其微弱,还要扩大一千万倍才行。
所以仅仅这两个设备,就难住了很多国家,以至于在相当长的一段时间里,中微子研究大部分都是被西方所垄断。
在中国的江门地下七百米实验室建立之前,全世界也就五个中微子观察所。
这五个观察所分别位于日本的神冈、加拿大的萨德伯里、美国厄文-密歇根、南极的 IceCube中微子观测站(注:美国的)。
至于最后一个,是1977年苏联建立在贝加尔湖底的观察所。