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90 幽灵粒子:中微子

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你可能不知道,你现在看着书本,每秒就有上千亿个粒子穿透你的眼睛。并不是光子,光子没那么多。这种每秒钟都在以千亿、万亿数量穿过你的身体,但你根本感受不到的粒子是中微子。中微子的质量几乎等于零,并且它无处不在、不带电,不像光子那样会发生电磁相互作用。

这就奇怪了,这么小的东西还不带电,那不等于不存在吗?我们又是怎么发现它的呢?中子不稳定,会经历β衰变,变成质子并放出一个电子。但20世纪30年代,人们发现β衰变后,居然有一部分能量丢失了,也就是反应后产生的所有粒子的能量比反应前的能量少。

关于这个问题,著名的奥地利物理学家泡利认为,必定是有一个新粒子产生并带走了能量,只不过这种新粒子太小,而且不带电,以至于我们在实验室里无法发现它们,这就是中微子。并且最早的时候,泡利还给这种粒子起名叫中子(Neutron),因为那个时候中子还没被发现,但这只是个理论。玻尔反对这个理论,据说玻尔当时已经准备放弃能量守恒定律了,本来能量守恒也只是一条原理,并不能证明能量守恒一定是正确的。而后来中子被英国物理学家查德威克发现了,泡利提出的这个粒子没有抢到“中子”这个名字,再之后是“核物理之父”费米,给泡利提出的这个非常小的中性粒子,起名叫中微子(Neutrino),意大利语或者拉丁语加个后缀ino,就表示很小的意思,所以中文翻译叫中微子。

但是中微子实在是太小了,实验上不好证明。在1950年的时候,美国物理学家柯万(Cowan)和莱茵斯(Reines)设计了一个实验,他们认为如果中微子真的存在的话,就应该可以用中微子来和质子反应,达成一个β衰变的逆反应。这个实验是先准备一个核反应堆,因为核反应裂变的过程就是大量的β衰变发生的过程,有大量的β衰变就应该有大量中微子产生,再把这些中微子跟大量质子发生反应,应该能产生β衰变的逆反应。获取大量质子只需要准备一缸纯净水就可以了,水分子里面有大量质子。这个逆反应如果能发生,就说明真的存在中微子,若非如此,一缸水放在那里什么反应都不会有。最终柯万和莱茵斯的实验证明,核反应堆里出来的东西确实可以让一缸水发生β衰变的逆反应,放出伽马射线,由此便证明了中微子的存在。