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中微子為什么要振蕩?(上)

來源:科學松鼠會 發布日期:2015-10-21

      世界杯足球賽的某場關鍵比賽中,主隊和客隊在120分鐘內戰成了0:0,只能通過點球大戰決出勝負。雙方共派出的10名主發點球的球員依次出場,在前9次的點球互射中,主隊和客隊分別打入4個球。此時,客隊最后一名發點球的13號球員出場了,全場觀眾都安靜了下來,氣氛緊張到了極點。如果他成功打入這個點球的話,那么客隊將獲得整場比賽的勝利。世界杯的歷史將再一次刷新,而13號球員將和他的隊友教練員們一起成為整個國家的英雄。

      120分鐘的比賽幾乎耗盡了隊員們的絕大部分體力。不過13號是下半場才替換上場的小將,體力充沛,加上教練員要求大家全線龜縮,因此13號此時看起來充滿著信心。只見他不慌不忙的走到點球區,將本屆世界杯的專用足球“普天同慶”按在草皮上,擺正了方向,再緩緩后退3步。此時,對方門將也異常緊張,雙眼緊盯13號的雙腿,祈禱能夠有奇跡發生。

      裁判的哨聲響起,13號大力推射,門將奮力撲救,球應聲入網。全場頓時響起轟炸機般的嗚嗚祖啦聲,慶??完犎〉昧吮敬伪荣惖淖罱K勝利。客隊的替補球員們沖入球場瘋狂慶祝,而主隊的球員們則垂頭喪氣的避開攝影機鏡頭,打算迅速離開這個傷心之地。主隊門將1號拾起球門內的足球,正打算狠狠的摔一下發泄失敗的煩悶??墒撬l現情況有些不對,追上去將球呈給了裁判。裁判立刻判罰進球無效,比賽仍未結束,同志仍需努力。

      原來,被13號射出的“普天同慶”,在空中飛行的一段時間后,竟然變成了上一屆世界杯專用足球“團隊之星”,然后落入球門。根據本屆世界杯的規則,這樣的進球無效。

      真的有奇跡發生了嗎?當然,誰也不會相信這樣匪夷所思的事情,除了專門研究匪夷所思的粒子物理學家們?!捌仗焱瑧c”不可能變成“團隊之星”,不過組成“普天同慶”的基本粒子,夸克,電子,以及發射出的中微子們,卻個個都有“七十二般變化”的本領。如果那一腳射出去的是電子中微子的話,那么飛入球門時,很有可能就變成μ子中微子;如果“射門”距離更長的話,后者很有可能又在途中變回原來的電子中微子。這樣的現象叫做“中微子振蕩”。那么,好好的中微子為什么非要振蕩呢?你是“普天同慶”就是“普天同慶”,為什么非要變成“團隊之星”呢?如果要變的話,有沒有可能變成2002年的“飛火流星”呢?要想了解這個問題,讓我們先了解一下中微子是個什么東西吧。

“士農工商”——中微子和它的兄弟姐妹

      我們給基本粒子分類起名字,就像給任何新鮮事物起名字一樣,總是力圖概括它的基本特征。而這一概括,總是建立在某些特殊背景的基礎上,使普通讀者們覺得詞不達意,“不知所云”。比如,我這樣的理科書生看電影《杜拉拉升職記》,發現開頭的人物介紹完全看不懂,什么“大客戶經理”,“行政秘書”,“助理人事行政經理”,不知道在說什么。如果有人在旁邊介紹一下,說“大客戶經理”相當于飯店里管包廂服務員的,“行政秘書”是掃地打雜的,“助理人事行政經理”是小監工領班的,我就能明白了。所以,讓我們了解一下中微子和它的兄弟姐妹,以及基本粒子物理的一些背景吧。

      就像中國古代社會分為“士農工商”四個階層一樣,自然界存在著四種的基本相互作用:強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用,引力相互作用。“士”是能量最大的一級階層,它能夠管理其余三個階層。而強相互作用顧名思義是最強大的一種相互作用,參與強相互作用的物質基本粒子——夸克,同時也參與弱、電磁、引力其他三種相互作用,是基本粒子中質量最大的一類。例如質量最大的頂夸克,跟一個鉛原子的質量差不多。強相互作用把夸克“捆綁”成質子,中子,又把后者“捆綁”成原子核(這個“捆綁”的有效距離僅限于原子核內,因此日常生活當中感覺不到)。要是沒有強相互作用,宇宙也許不過是一鍋夸克湯,更加不可能有人類。

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原子彈釋放的大部分能量來自強相互作用

      “商”是能量較小的一級階層,但其作用范圍相當廣泛,除了不能買賣官爵之外,什么都能買賣。而許多社會活動的價值,都需要通過“商”的作用才能得到體現。比如明朝張居正以前,據說收稅直接收實物,給“士”發工資也直接發實物。當官的要是不把棉花天麻找商人換成錢,日子根本沒法過。因此,電磁相互作用相當于“商”的階層,它的作用體現在了日常生活當中的每一個角落。你看電視(視力),這是電磁相互作用,你踢足球(壓力),這是電磁相互作用,你騎單車(摩擦力),這是電磁相互作用,你劃小船(浮力),這還是電磁相互作用。

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摩擦力

      在物理學中,就算你要研究除電磁相互作用以外的其他三種相互作用,對不起,你還需要借助電磁相互作用。人類幾乎所有的先進探測儀器都借助了電磁相互作用。如果沒有天線,沒有光電倍增管,沒有威爾遜云室中的過飽和,以及將信息最終帶至視網膜的光,物理學也許還停留在牛頓時代,更不用說人腦中分析信息的億萬個神經元,參與的也是電磁相互作用了。因此,在物質基本粒子中,電磁相互作用的代表——電子,同時也參與弱、引力其他兩種相互作用。我們知道愛因斯坦的質能定律E=mc2,也就是說質量和能量可以互相轉化。由于電子不參與強相互作用,因此電子的質量比夸克小的多,大約是后者的幾分之一到十幾分之一。

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太陽媽媽釋放的能量大部分來自強相互作用,卻主要是通過電磁相互作用(發光)傳播到地球的。

      “工”在古代是指手工業,現代社會中對應于中低端的“制造業”。在基本粒子物理學中,弱相互作用還真有點兒中低端“制造業”的樣子。我們知道太陽是萬物之母,地球上一切人類活動的能量大都來源于太陽能,而太陽能來自于氫核子聚變成氦核子的一系列核反應過程。這一系列核反應包括了強、弱兩種相互作用(參見游識猷瘋狂科學家的公式化生存),雖然弱相互作用釋放的能量相對較少,但沒有了它,整個核聚變反應根本無法進行。

太陽之中的核反應,碳循環,看起來很像二氧化碳合成葡萄糖的那個循環。lam1指出該循環對太陽核反應的貢獻遠小于質子質子循環,而更多的出現在更大質量恒星的核反應中。

      如果再往前追溯,我們會問,恒星中哪兒來的這么多氫和氦呢?這是宇宙大爆炸后的核合成時期形成的。宇宙“最初三分鐘”的一種弱相互作用導致的核反應決定了質子和中子的比例。我們知道氫原子核中只有質子,而氦原子核當中有質子和中子。因此,是最初三分鐘的弱核反應決定了我們宇宙的原初元素組成。這怕是名副其實的中低端“制造業”了。如果這個“制造業”當初稍有偏差,改變了質子中子的比例,也許宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端“制造業”就永遠無法出現了。順便說一句,弱相互作用的應用越來越廣泛,例如醫院放射科用于治療癌癥的鈷-60,測定文物年代的碳-14等等。因此,弱相互作用雖然不起眼,但對于宇宙、對于人類來講仍然是至關重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子,它同時也參與引力相互作用。中微子的質量只有電子的百萬分之一,不參與電磁相互作用,當然也就不帶電。此時,我們一定能夠理解中微子的名字和它的特征之間的關系——它是一種中性的微小的只參與兩種相互作用的基本粒子。

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Co-60的衰變會放出電子和反中微子,不過治病靠的是隨后放出的伽馬射線

      “農”在我們的比方中對應著萬有引力的相互作用。就好像任何時代任何國家的發展都離不開農業,一切基本粒子都參與引力相互作用。只不過,相對于其他四種相互作用,引力的強度是最弱的。只有在宏觀尺度上,引力才會起到決定性的作用。目前人類還沒有得到自洽的微觀的量子引力理論。因此,我們不知道是否存在“引力子”這樣的代表引力相互作用的基本粒子。

      我們提到了三類基本粒子:參與四種相互作用的夸克,參與三種相互作用的電子,和參與兩種相互作用的中微子。還有一類粒子,它們的主要功能是負責傳播相互作用,因此得名“傳播子”。例如,傳播強相互作用的叫膠子,它能把夸克們“粘”在一起,形成中子質子介子等亞原子粒子。傳播弱相互作用的叫W+,W-,Z玻色子。傳播電磁相互作用的叫光子。我們知道現代社會經常把“工”和“商”放在一起,比如工商局,工商大學,工商銀行。同樣,弱相互作用也可以和電磁相互作用一起,統一為電弱相互作用,正所謂“五百年前是一家”。由于類似的原因,我們經常把電子和中微子歸為一類,稱為輕子;而夸克自成一類,稱為強子。還有一種理論上預言的希格斯粒子,人們認為它賦予了基本粒子的質量。粒子物理學“標準模型”中的四大類粒子就是:強子,輕子,傳播子,和希格斯粒子。我們要討論的中微子振蕩現象,主要集中在強子和輕子之中。

(基本粒子無時不刻的沐浴在相互作用真空的“海洋”中)

“三生萬物”——基本粒子家族的血緣關系

      明朝開國皇帝朱元璋設計了一個很變態的戶籍制度:“龍生龍,鳳生鳳,老鼠兒子只能去打洞”。也就是說,每個人都只能繼承它父親的職業,不得隨便更改。這個制度放在粒子物理的觀點來看,似乎有一定的道理。

      上夸克,下夸克,電子,和電子中微子互為兄弟姐妹。前面兩個是強子,后面兩個是輕子。而下夸克是上夸克的對稱性伙伴,電子中微子是電子的對稱性伙伴。這就好像一家的大兒子叫阿龍,再生個兒子就叫阿虎一樣,上夸克,下夸克,電子,和電子中微子的名字反映了它們之間的“血緣”關系。

      上帝不知道為什么在制造了上下夸克,電子,電子中微子之后,又心血來潮,Ctrl+C,Ctrl+V,又Ctrl+C,又Ctrl+V,硬要把這個組合復制兩遍,一共弄出三代來。正所謂“一生二,二生三,三生萬物”,不是“二生萬物”,也不是“一生萬物”。所以,上夸克的后代叫粲(漂亮的意思)夸克,下夸克的后代叫奇(奇怪的意思)夸克;粲夸克的后代叫頂夸克,而奇夸克的后代叫底夸克。

      同樣的道理,電子的后代是μ子,電子中微子的后代是μ(繆)子中微子;μ子的后代是τ(套)子,μ子中微子的后代是τ子中微子。這里后代的名字受到歷史原因的影響,比較拗口。大家喜歡的話,完全可以給他們改個名字叫“普天同慶”“團隊之星”和“飛火流星”。

“普天同慶”變成“團隊之星”,講述的就是電子中微子轉化為μ子中微子的故事。

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