打开一扇宇宙中微子的窗户

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1、打开一扇宇宙中微子的窗户Shea发表于2011-04-19JamesTrefil和WandaO'Brien-Trefil　文　Shea　编译天文学家正在研究来自超新星爆发和其他高能现象的亚原子粒子，但这些粒子极难探测。通过仰望苍穹，我们认识了宇宙。这同时也意味着我们的认识取决于我们所观测的信号以及它们自身所携带的信息。从远古至今，光一直就是这样一位孜孜不倦的“信使”。使用肉眼和望远镜，我们一直在探测可见光下的宇宙。但是它们只是通向宇宙的一小扇窗户。20世纪当人类在地球上建造了射电望远镜并且发射卫星把探测器送出大气层时，宇

2、宙展现出了它更多姿多彩的一面。红外观测数据向我们展示了贯穿我们银河系的低温气体，高能γ射线则书写下了遥远星系中的剧烈爆发。所有这些辐射都携带了它们发出地的信息。但我们的大气层会吸收除了可见光和射电波之外的绝大部分辐射。[图片说明]：太阳能源来自于其核心的核聚变反应。这些反应会产生中微子。版权：SOHO/JESA/NASA。 所有的地面和空间天文台都有一个共同点，它们所探测的都是电磁波谱中的某一段。但现在天文学家们正在打开一扇不依赖于电磁波的新窗户，而充当“信使”的则是宇宙中一种难以捉摸的粒子——中微子。神秘的中微子中微子

3、是由放射性衰变和核聚变过程所产生的诸多粒子中的一种。它不带电荷，几乎没有质量，与物质的相互作用也极其微弱。一个中微子可以穿过数光年厚的铅层而不“惊扰”其中的任何一个原子。20世纪初当物理学家把一次放射性衰变前后的能量和动量加起来的时候，他们发现两者无法平衡。于是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（WolfgangPauli）在1930年提出一种尚未被探测到的粒子带走了这部分不见了的能量和动量。科学家们给这种假想中的粒子起了个名字叫“中微子”，意思是“中性的小不点儿”。[图片说明]：活动星系半人马A的多波段合成图像（左）以及它分

4、别在X射线（右上）、射电（右中）和可见光（右下）波段上所显现出的不同特征。版权：X射线：NASA/CXC/CfA/R.Kraft等人；射电：NSF/VLA/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle；可见光：ESO/WFI/M.Rejkuba等人。然而由于和物质的相互作用极其微弱，因此探测中微子几乎就成了不可能的任务。事实上，直到1956年科学家使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到了这些粒子。物理学家弗雷德里克·莱因斯（FrederickReines）因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。从那时

5、起，物理学家开始可以更好地探测并且制造出这些难以捉摸的粒子了。那么这和天文学又有什么关系呢？其实，宇宙中许多最重要的过程——从驱动恒星的核聚变反应到产生重元素的超新星暴发——都会释放出中微子这一“副产品”。而事实上，宇宙中也充满着中微子。于是你就可以把它们当成是自然界中的另一个信使，只不过它们所携带的都是和核反应以及剧烈现象有关的信息。两面性中微子的难以捉摸既是一个好消息也是一个坏消息。一方面，中微子不与物质发生相互作用意味着它们可以轻易地逃离产生它们的地方并且把信息传递给我们。例如，太阳中心核聚变所产生的中微子可以毫发

6、无损地穿越太阳的外部包层以及地球大气。探测它们使得我们可以直视太阳的心脏。同时，中微子还可以不受充斥在宇宙中的微波辐射的影响穿行于星系之间。星系的磁场不会对它们造成影响，但对于普通带电粒子（例如质子和电子）却并非如此。这些特性使中微子成为了携带宇宙中最剧烈现象信息的理想载体。这些现象包括了活动星系核以及会产生γ射线暴——宇宙中最猛烈的爆发——的黑洞并合。这是好的一面。坏的一面是，由此对中微子的探测也会变得极为困难。[图片说明]：美国的萨德伯里中微子天文台（SNO的）在2006年停止运转，计划进行升级。SNO和SNO+的主

7、要区别是探测材料。版权：LawrenceBerkeleyNationalLab/RoyKaltschmidt。当你读到这儿的时候，正有几十亿个的中微子在穿过你的身体。其中绝大部分来自太阳，一些来自遥远的星系，还有的甚至还可能来自宇宙最初的大爆炸。从出生的那一刻起中微子就在不断地穿过你的身体，然而在你的整个一生中只有少数的几个中微子会和你身体中的原子发生相互作用。探测这些相互作用并且把它们和其他的效应区分开是中微子天体物理学的核心要务。如果我们想透过中微子的窗口向天空望去，就必须要先解决两个问题。其中显而易见的一个就是中微

8、子极难与物质发生相互作用。解决的方法很简单。如果一个中微子和一个给定原子间的相互作用概率非常低，那么就可以通过在一个大探测器中放入巨量的原子来使得中微子和物质的相互作用变得更频繁。第二个问题则更加微妙。当我们“探测”到中微子时，我们实际上看到的是原子所做的反冲运动或者是由中微子引发的一次原子核反应。随之而来的是，是否