用最貴的秤 稱最輕的物質

2021-07-01 22:54牧瀨
大科技·百科新說 2021年4期
關鍵詞:中微子幽靈粒子

牧瀨

貫穿地球的幽靈

“鐵罐頭”小心翼翼地穿過小鎮。

中微子與我們熟知的電子、光子一樣,也是基本粒子,在宇宙中無處不在。它們的奇特之處在于能輕松穿過世界上的絕大多數物質,就連地球也不例外,它們僅需0.04秒就能穿過地球,以接近光速的速度飛奔。伸出你的手,光是指甲蓋那么小的地方,每秒就有660億個中微子穿過。就在你閱讀這篇文章的時候,它們也在一刻不停地穿過你的身體。

但不用害怕,這種粒子不會對你造成半點傷害,你也感覺不到它們的存在。它們像幽靈一樣,幾乎不可能撞上原子內的原子核和電子,總是輕松穿過原子,不留下任何影響。

因此,中微子極難被發現,自1930年被提出后,科學家用了二十多年才找到它的蹤跡。

最小的粒子,最大的秘密

你或許思考過地球怎么誕生的,那你是否想過,質量是怎么來的?

無論是你的身體,還是水、空氣、星球,都具有質量,質量是物質最基本的屬性之一,似乎世間萬物本來就應該有質量。你能跳多高?火箭要多快的速度才能飛離地球?質量對于許多物理問題都至關重要。不過,在科學家眼里,質量的起源也和宇宙的誕生一樣神秘。而質量起源的答案,可能就藏在小小的中微子身上。

世界上最靈敏的體重秤

KATRIN的內部

想知道自己有多重,只要站到體重秤上就可以了;但對于難以捉摸的基本粒子,人們無法直接測出它們的質量。科學家已通過各種復雜的實驗算出了多種粒子的質量,稱量中微子卻仍是個難題。于是,多國科學家共同合作,打造了這個名為“KATRIN”的巨型儀器,用它來“稱”中微子的質量。

看起來笨重粗獷的KATRIN,其實是迄今為止最靈敏的秤,但它還是不能直接稱量中微子,而是通過測算能量變化入手,因為物質的質量可以轉換成能量。例如,原子彈的破壞力驚人,是因為它在核裂變反應中損失了一點質量,這些質量轉化成了巨大的能量。物質的質量可以轉換成能量,那中微子帶走的能量也可以反過來代表它的質量。

五十萬分之一

在KATRIN的幫助下,科學家終于得到了中微子質量的估計值。

電子是第二輕的物質粒子,質量約為9.1×10-28克;而最輕的物質粒子——中微子,質量僅為電子的五十萬分之一。同是物質粒子,中微子輕得簡直不可思議,將其他粒子遠遠甩在了后頭。 未來,科學家們還將進行更多實驗,預計會在3~5年內得到更精確的結果。當中微子的身世之謎最終被揭開時,人類對世界的認識也將更進一步。

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