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MINOS中微子实验公布倾向于theta13非零的结果
热度 1 caojun 2011-6-25 22:32
紧随 日本T2K实验公布新的中微子转换现象,认为 不为零的几率为99.3%后,美国的MINOS实验也公布的他们的分析。实验观察到62个电子中微子信号,预期本底为 ,信号超过本底1.7倍标准偏差。 拟合的 的90%置信区间为 0 到 0.12,中心值0.04 (对正质量等级) 0 到 0.19,中心值0.08 (对反质量等级) 报告见: http://www-numi.fnal.gov/pr_plots/nue2011.pdf 一般来说,1.7倍标准偏差的结果是不会公布的。不过由于T2K已公布了结果,MINOS也就跟进了。今天4月份MINOS刚放了一颗卫星, 说发现正反中微子的振荡不对称。
个人分类: 我的物理|4183 次阅读|2 个评论
日本T2K实验观察到新的中微子转换现象
热度 6 caojun 2011-6-16 02:25
2011年6月15日,日本的T2K实验 发布新闻, 首次观察到了 中微子转换为电子中 微子的现象 。 1998年,日本的Super-Kamiokande(超级神冈)实验以确凿的证据,证实中微子存在振荡现象,即一种中微子在飞行途中会转换为另外类型的中微子。一般认为中微子有三种,分别是电子中微子, 中微子, 中微子。它们之间应该有三种振荡模式,由 三个混合角描述。 和 已分别由大气中微子振荡和太阳中微子振荡测得, 比它们小得多,还没有测到具体的数值,但是非常重要,决定了未来中微子实验的发展方向。除了T2K外,还有美国的Nova,法国的Double Chooz,韩国的RENO,以及中国的大亚湾实验准备测量它。 T2K实验有来自12个国家的500名研究人员参与。由位于日本东海县的加速器将质子加速到30GeV,打靶产生 中微子,并将束流对准295公里外,由5万吨纯水组成的超级神冈探测器。实验自2010年1月开始运行。今年3月日本大地震,加速器设施遭到破坏,被迫停止运行。在此期间,共探测到88个中微子事例,其中6个为电子中微子。由于束流中只有 中微子,观察到的电子中微子必然来自振荡。这是首次观察到 不为零的迹象。在6个电子中微子事例中,预期的本底事例为1.5个, 不为零的概率为99.3%,或者2.5个标准偏差, 略低于普遍接受的确认标准——3倍标准偏差。 由此确定的 的中心值约为0.1,90%的置信区间为0.03-0.28。这个结果比大家预期的要大很多。在此之前,法国的Chooz实验结果已经说明,在90%的置信度下, 。 如果T2K的结果是对的,那么中微子振荡中另外两个极为重要的参数,质量等级和电荷宇称破坏因子,将比较容易测量。T2K是加速器实验,振荡几率中有几个未知参数,因此不能干净地确定 的值,只能确定在一个范围内;其统计量还比较小,没有达到确定标准;另外,它观测到的6个电子中微子的位置分布也有点特殊,可能是正常涨落,也可能有问题。T2K计划今年底重新开始运行。 大亚湾中微子实验是这些实验中测量精度最高的,计划今年7月开始逐步投入运行,将测量 到0.01。
个人分类: 我的物理|13115 次阅读|13 个评论
[转载]用月球探测中微子
yshimp 2011-6-13 08:27
转自 http://songshuhui.net/archives/50444 Shea 发表于 2011-04-07 13:15 Rachel Courtland 文 Shea 编译 捕猎难以捉摸的中微子通常要跋涉到南极、地中海或者是贝加尔湖。但正有越来越多的项目意图通过把射电望远镜对准月球来寻找最高能的中微子。 :美国甚大天线阵观测月球中微子的概念图。版权:Ted Jaeger(University of Iowa)/NRAO/AUI/NSF。   如果这一尝试成功的话,它们就可能会揭示出宇宙中最强大的粒子加速器甚至是存在新物理学的证据。   中微子是一种可以轻而易举穿透物质的基本粒子,只有在极少数的情况下才会和物质中的原子核发生碰撞。迄今为止,只探测到了来自太阳和超新星1987A的地外中微子。   但天文学家怀疑宇宙充满了由宇宙加速器产生的能量甚至更高的中微子,这些宇宙加速器能把带电粒子加速到地球上最强大的加速器所能达到能量的1亿倍。   由于中微子和物质的相互作用极为罕见,为此要捕获它们就必须要用大量的物质。当中微子和原子发生碰撞的时候会产生许多粒子,这些粒子在介质中运动的时候就会发出闪光,现在的中微子探测器就是专门设计来探测这些闪光的。 巨型探测器   由于光可以较为畅通地在其中传播并且达到探测装置,因此湖泊、海洋和冰原都是理想的中微子探测材料。不过月球相对均匀、密实的月壤可能也是一个很好的中微子探测标靶。高能中微子与和月壤原子的碰撞应该会产生持续数纳秒的射电波爆发,它可以穿过月球表面运动几十或几百米。   瞄准月球边缘的射电望远镜兴许就有可能观测到这些短暂的能量爆发。但是,识别这些信号并非易事。超高能中微子碰撞事件极为罕见,天文学家预计一个月内可能只会发生数起。而射电望远镜还会受到其他信号的干扰,其中也包括人为的,这些必须被排除在外。   但月球巨大的身材可以弥补这一局限性。在这场狩猎的游戏中大小决定了一切。 聚焦月球   在2009年初一个荷兰的科学家小组使用由14面天线组成的综合孔径射电望远镜对月球中微子信号搜寻进行了尝试。该研究小组希望以后能在有超级计算机支撑的低频阵来进行更灵敏的观测。   他们并不是目前唯一的月球中微子猎手。一个美国科学家小组也在2009年使用美国的甚大天线阵进行了50小时的观测。另一个小组则使用帕克斯64米射电望远镜来搜索了有关的信号。美国绿岸天文台的一个小组则希望能利用两架退役的25米射电望远镜来和另一架望远镜组成一个阵列来搜寻中微子。   那么他们会看到什么呢?目前尚不清楚。由于天文学家们已经找到了以超常的速度运动的超高能量宇宙射线,因此他们怀疑存在超高能的中微子。当超高能宇宙线和大爆炸遗留下来的光子发生碰撞的时候,就会产生中微子。它们还有可能和物质相互作用产生更多的中微子。 奇特的来源?   但目前的月球中微子搜寻只能用于探测能量极其高的中微子,它们的能量比已知的能量最高的宇宙射线还至少要高10到1000倍。   这一能量对于宇宙中最强大的粒子加速器——例如超大质量黑洞和γ射线暴——而言可能太高了。我们熟知的常规物理过程产生不了这么高能的中微子,所以如果一旦观测到它们,就可能意味着存在新的物理学。   有人提出,紧接着大爆炸之后产生的超重暗物质粒子或者是时空拓扑结构的缺陷等等这些特异的现象可以把粒子加速到这一能量。但是,在现有的宇宙射线探测器中还没有发现与它们有关的迹象。 宇宙射线之谜   高能中微子可以帮助解决超高能宇宙射线的起源之谜。天文学家怀疑超高能宇宙线可能是被γ射线暴或者超大质量黑洞产生的物质喷流加速到高能量的。   当它们和大爆炸光子发生碰撞的时候会快速地损失能量。因此,来自1.5亿光年之外的宇宙线在到达地球之前就会“消散”。   但极少发生碰撞的中微子可以超越这一极限揭示出宇宙线是如何产生的。由于它们不带电,中微子运动轨迹不会受到宇宙中磁场的干扰。这一属性可以让天文学家回溯中微子的发源地。它们会告诉我们宇宙中从大爆炸至今最高能加速器的有关信息。 南极冰原   除了月球以外,科学家还把目光放到了南极冰盖上。与之有关的实验也是搜寻由超高能中微子撞击产生的射电信号。但是在冰层中这些信号相比在月壤中可以传播更远,也更强。不过这一实验每次运行只能持续几周,而射电望远镜则可以很容易地长年监测月亮。   而且即使目前月球实验没有发现中微子,科学家希望他们为此研发出的技术会为将来为更大、更灵敏的射电望远镜阵列——例如,一平方千米天线阵——奠定基础。虽然这个领域存在竞争,但无论是谁第一个捕捉到了这些超高能中微子都将为天文学翻开全新的一页。 (本文已刊载于《世界科学》2010年第5期)
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物理与社会研究院博士课程第二讲:会会左手中微子
wliming 2011-4-9 10:34
邢志忠: 会会左手中微子
个人分类: 物理与社会研究院|1265 次阅读|0 个评论
三人成虎,中微子又有重大发现?
热度 6 caojun 2011-4-6 00:13
今天费米实验室的MINOS实验发表了新的反中微子实验结果,称 正反中微子的振荡有98%的可能不一样 。 中微子是基本粒子中我们了解得最少的粒子之一,至今仍有大量未解之迷。 1967年开始,BNL的Ray Davis在南达科他州一千多米深的废弃金矿里探测到了来自太阳的中微子,发现它比预期的少了三分之二,称为“ 太阳中微子失踪之迷 ”。由于实验难度很大,不信的人很多,Davis日复一日地重复这个实验,做了三十年。 1990年左右,包括日本神岗、美国IMB等实验在内的一系列大气中微子实验都证明,我们观测到的由宇宙线在大气中产生的中微子比预期少,称为“ 大气中微子反常 ”。1998年,升级后的超级神岗实验以精确的数据证实,中微子存在振荡现象。Davis与小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖。 其实在这之前,用中微子振荡来解释太阳中微子失踪,看上去就是一件很自然的事情。然而更深入一点看,不同的太阳中微子实验的结果是不自洽的,没有一个中微子振荡模型能同时解释所有的实验。因此也出现了很多其它的解释,像衰变、干涉。后来M、S、W三个人提出了物质效应的影响,大家才意识到,原来太阳中微子不是在从太阳飞到地球的途中发生振荡,而是在太阳内部,在MSW效应主导下发生了振荡。也就是说,太阳中微子还没有飞出太阳就已经变少了。在这个机制下,所有的太阳中微子实验都得到了自洽的解释。后来的超级神岗实验,加上再后来的SNO实验和KamLAND,无可争议地确立了中微子振荡。三代中微子,共六个振荡参数,包括三个混合角,二个质量平方差,一个电荷宇称破坏相角。 然而,还有一个很另类的实验,就是在洛斯阿拉莫斯实验室,第一颗原子弹的诞生地,LSND实验看到了中微子减少,但不能用已存在的中微子振荡模式解释,因此提出除了三代正常的中微子外,还存在一种“ 惰性中微子 ”(sterile neutrino)。这种中微子一般不跟其它粒子作用,只有在需要的时候,象LSND实验中,它才起作用。 基本粒子物理的规律建立在对称性之上。林林总总的各种对称性,使这些规律显得非常漂亮。比如规范对称、时间平移、空间平移、CPT(电荷宇称时间)反演、轻子数守恒等等。例如时间平移对称,就是说一个规律,将时间平移一下,是不会发生变化的。今天做一个实验,跟明天做同样的实验,结果应该是一样的。这样一个似乎显而易见的事实,从最基本的理论上深入挖掘一下,居然隐藏着深意,即时间平移对称性意味着能量守恒规律。Yang-Mills规范理论,刚提出时是没有价值的,因为要保持规范对称性,就不能出现有质量的粒子,与现实不符。可是这个理论实在太漂亮了,所以杨振宁和Mills硬着头皮发表了文章。天才的泡利早就有过类似思想,由于与现实不符,所以没有发表,因此很气愤,反复刁难杨振宁:质量怎么办?杨说,我也不知道怎么办。后来陆续提出了Godstone粒子、自发破缺机制,解决了质量问题,规范对称性成了粒子物理理论的基础。也有不对称的地方。李政道和杨振宁提出的宇称不守恒就是。在弱相互作用中,左和右是不对称的。其实这是中微子捣的鬼,因为迄今 只发现了左旋中微子 。连右旋中微子都没有,左右当然对称不起来了。除了宇称,电荷宇称联合起来也是不对称的,称为CP破坏。但是CPT联合起来是对称的,迄今没有发现CPT破坏的现象。CPT守恒也是规范场论框架内可以证明的定理。宇称不守恒和CP破坏分别荣获1957年和1980年的诺贝尔奖。发现一个小小的不对称就发一个奖,可见不对称是多么地不容易。 宇称不守恒,譬如一个人左眼大右眼小,这一点不对称之不美,物理学家也就忍了。可是搞一个“惰性中微子”出来,好象一个美女,左手五个手指头,右手非说她长了六个,怎么看怎么别扭。因此很多人不喜欢,不相信,台上不说,台下嘀咕说LSND的人做错了。LSND的人很不高兴了,不信我?那我再做一个给你看看。费米实验室的MiniBooNE实验目标就是“验证或否定LSND实验的结果”。2007年MiniBooNE发表了结果,虽然低能部分有点不能解释,但不得不承认,没有看到类似LSND的振荡。折腾了十年,证明自己做错了,心有不甘哪。对称美的卫道士们可以偷笑了。且慢,LSND用的是反中微子,MiniBooNE用的是正中微子。原来之所以运行正中微子,是因为质子打靶更容易打出正中微子,数量比反中微子高3倍。如果是看振荡效应,正反中微子都应该一样,不一样就是另一个大问题了,而用正中微子时间只需要1/3。MiniBooNE争取到了继续运行,将聚焦磁铁电流反转,聚焦反中微子进行实验。又搞了三年,出事了。 2010年MiniBooNE发表了反中微子的结果,说在2倍标准偏差下看到了类似LSND的振荡 。这下不仅惰性中微子又回到了大家的视野,而且正反中微子还不一样,很热闹。一般粒子物理需要4倍标准偏差,即99.994%的概率才予以确认。2倍标准偏差还属于将信将疑的范围。 2倍标准偏差的“疑似”新现象在粒子物理中时有出现,象leptoquark、pentaquark,参见 小文 。只有一个也就算了,“ 反应堆中微子反常 ”也来凑热闹。2011年1月,法国人重新处理了20年前测的核素贝塔谱数据,说以前算的反应堆中微子流强算低了3%。以前总共做过十来个近距离的反应堆中微子实验,与以前的流强计算是一致的,没有看到振荡。按现在的中微子振荡知识,也不应该看到振荡。现在说原来流强算低了3%,也就是说原来的十来个实验都看到了反应堆中微子丢失,法国人称之为“反应堆中微子反常”,然后紧跟着又发了一篇文章,说需要“惰性中微子”才能解释。至此, 中微子实验中,正常的基本没有,太阳中微子、大气中微子、加速器中微子、反应堆中微子,统统反常。 不过,原来是理论与数据一致,过了20年,现在把流强往高里算,然后说反常了,总是透着点蹊跷。台上不好开口说,台下我是要犯嘀咕的。 今天MINOS发布的结果,是乱上添乱。正中微子的结果与超级神岗的大气中微子结果是符合得很好的,质量平方差是2.32x10-3 eV2。今天的反中微子结果则相差很远,拟合出来的质量平方差是3.36x10-3eV2,误差0.4左右。混合角也不一样。假如不存在振荡,MINOS应该看到156个事例;假如振荡规律与正中微子一样,应该看到110个事例;实际上看到了97个事例。 正反中微子振荡有98%的几率不一样 (也是2倍多标准偏差)。 如果MINOS的结果最终证明是对的,那么有可能有两种结果, 一是存在“惰性中微子”,二是CPT不守恒 。乱世出英雄,想当英雄的年轻人们、想拿诺奖的大侠们,心潮澎湃一会吧。
个人分类: 我的物理|14062 次阅读|8 个评论
[转载]中微子为什么要振荡?
热度 1 yshimp 2011-2-28 07:36
转自松鼠会的博客 中微子为什么要振荡?(上) 中微子为什么要振荡?(下) http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=72090do=blogid=342319 世界杯足球赛的某场关键比赛中,主队和客队在120分钟内战成了0:0,只能通过点球大战决出胜负。双方共派出的10名主发点球的球员依次出场,在前9次的点球互射中,主队和客队分别打入4个球。此时,客队最后一名发点球的13号球员出场了,全场观众都安静了下来,气氛紧张到了极点。如果他成功打入这个点球的话,那么客队将获得整场比赛的胜利。世界杯的历史将再一次刷新,而13号球员将和他的队友教练员们一起成为整个国家的英雄。 120分钟的比赛几乎耗尽了队员们的绝大部分体力。不过13号是下半场才替换上场的小将,体力充沛,加上教练员要求大家全线龟缩,因此13号此时看起来充满着信心。只见他不慌不忙的走到点球区,将本届世界杯的专用足球“普天同庆”按在草皮上,摆正了方向,再缓缓后退3步。此时,对方门将也异常紧张,双眼紧盯13号的双腿,祈祷能够有奇迹发生。 裁判的哨声响起,13号大力推射,门将奋力扑救,球应声入网。全场顿时响起轰炸机般的呜呜祖啦声,庆祝客队取得了本次比赛的最终胜利。客队的替补球员们冲入球场疯狂庆祝,而主队的球员们则垂头丧气的避开摄影机镜头,打算迅速离开这个伤心之地。主队门将1号拾起球门内的足球,正打算狠狠的摔一下发泄失败的烦闷。可是他发现情况有些不对,追上去将球呈给了裁判。裁判立刻判罚进球无效,比赛仍未结束,同志仍需努力。 原来,被13号射出的“普天同庆”,在空中飞行的一段时间后,竟然变成了上一届世界杯专用足球“团队之星”,然后落入球门。根据本届世界杯的规则,这样的进球无效。 真的有奇迹发生了吗?当然,谁也不会相信这样匪夷所思的事情,除了专门研究匪夷所思的粒子物理学家们。“普天同庆”不可能变成“团队之星”,不过组成“普天同庆”的基本粒子,夸克,电子,以及发射出的中微子们,却个个都有“七十二般变化”的本领。如果那一脚射出去的是电子中微子的话,那么飞入球门时,很有可能就变成μ子中微子;如果“射门”距离更长的话,后者很有可能又在途中变回原来的电子中微子。这样的现象叫做“中微子振荡”。那么,好好的中微子为什么非要振荡呢?你是“普天同庆”就是“普天同庆”,为什么非要变成“团队之星”呢?如果要变的话,有没有可能变成2002年的“飞火流星”呢?要想了解这个问题,让我们先了解一下中微子是个什么东西吧。 “士农工商”——中微子和它的兄弟姐妹 我们给基本粒子分类起名字,就像给任何新鲜事物起名字一样,总是力图概括它的基本特征。而这一概括,总是建立在某些特殊背景的基础上,使普通读者们觉得词不达意,“不知所云”。比如,我这样的理科书生看电影《杜拉拉升职记》,发现开头的人物介绍完全看不懂,什么“大客户经理”,“行政秘书”,“助理人事行政经理”,不知道在说什么。如果有人在旁边介绍一下,说“大客户经理”相当于饭店里管包厢服务员的,“行政秘书”是扫地打杂的,“助理人事行政经理”是小监工领班的,我就能明白了。所以,让我们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。 就像中国古代社会分为“士农工商”四个阶层一样,自然界存在着四种的基本相互作用:强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力相互作用。“士”是能量最大的一级阶层,它能够管理其余三个阶层。而强相互作用顾名思义是最强大的一种相互作用,参与强相互作用的物质基本粒子——夸克,同时也参与弱、电磁、引力其他三种相互作用,是基本粒子中质量最大的一类。例如质量最大的顶夸克,跟一个铅原子的质量差不多。强相互作用把夸克“捆绑”成质子,中子,又把后者“捆绑”成原子核(这个“捆绑”的有效距离仅限于原子核内,因此日常生活当中感觉不到)。要是没有强相互作用,宇宙也许不过是一锅夸克汤,更加不可能有人类。 原子弹释放的大部分能量来自强相互作用 “商”是能量较小的一级阶层,但其作用范围相当广泛,除了不能买卖官爵之外,什么都能买卖。而许多社会活动的价值,都需要通过“商”的作用才能得到体现。比如明朝张居正以前,据说收税直接收实物,给“士”发工资也直接发实物。当官的要是不把棉花天麻找商人换成钱,日子根本没法过。因此,电磁相互作用相当于“商”的阶层,它的作用体现在了日常生活当中的每一个角落。你看电视(视力),这是电磁相互作用,你踢足球(压力),这是电磁相互作用,你骑单车(摩擦力),这是电磁相互作用,你划小船(浮力),这还是电磁相互作用。 摩擦力 在物理学中,就算你要研究除电磁相互作用以外的其他三种相互作用,对不起,你还需要借助电磁相互作用。人类几乎所有的先进探测仪器都借助了电磁相互作用。如果没有天线,没有光电倍增管,没有威尔逊云室中的过饱和,以及将信息最终带至视网膜的光,物理学也许还停留在牛顿时代,更不用说人脑中分析信息的亿万个神经元,参与的也是电磁相互作用了。因此,在物质基本粒子中,电磁相互作用的代表——电子,同时也参与弱、引力其他两种相互作用。我们知道爱因斯坦的质能定律E=mc2,也就是说质量和能量可以互相转化。由于电子不参与强相互作用,因此电子的质量比夸克小的多,大约是后者的几分之一到十几分之一。 太阳妈妈释放的能量大部分来自强相互作用,却主要是通过电磁相互作用(发光)传播到地球的。 “工”在古代是指手工业,现代社会中对应于中低端的“制造业”。在基本粒子物理学中,弱相互作用还真有点儿中低端“制造业”的样子。我们知道太阳是万物之母,地球上一切人类活动的能量大都来源于太阳能,而太阳能来自于氢核子聚变成氦核子的一系列核反应过程。这一系列核反应包括了强、弱两种相互作用( 参见 游识猷 : 疯狂科学家的公式化生存 ),虽然弱相互作用释放的能量相对较少,但没有了它,整个核聚变反应根本无法进行。 太阳之中的核反应,碳循环,看起来很像二氧化碳合成葡萄糖的那个循环。lam1指出该循环对太阳核反应的贡献远小于质子质子循环,而更多的出现在更大质量恒星的核反应中。 如果再往前追溯,我们会问,恒星中哪儿来的这么多氢和氦呢?这是宇宙大爆炸后的核合成时期形成的。宇宙“最初三分钟”的一种弱相互作用导致的核反应决定了质子和中子的比例。我们知道氢原子核中只有质子,而氦原子核当中有质子和中子。因此,是最初三分钟的弱核反应决定了我们宇宙的原初元素组成。这怕是名副其实的中低端“制造业”了。如果这个“制造业”当初稍有偏差,改变了质子中子的比例,也许宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端“制造业”就永远无法出现了。顺便说一句,弱相互作用的应用越来越广泛,例如医院放射科用于治疗癌症的钴-60,测定文物年代的碳-14等等。因此,弱相互作用虽然不起眼,但对于宇宙、对于人类来讲仍然是至关重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子,它同时也参与引力相互作用。中微子的质量只有电子的百万分之一,不参与电磁相互作用,当然也就不带电。此时,我们一定能够理解中微子的名字和它的特征之间的关系——它是一种中性的微小的只参与两种相互作用的基本粒子。 Co-60的衰变会放出电子和反中微子,不过治病靠的是随后放出的伽马射线 “农”在我们的比方中对应着万有引力的相互作用。就好像任何时代任何国家的发展都离不开农业,一切基本粒子都参与引力相互作用。只不过,相对于其他四种相互作用,引力的强度是最弱的。只有在宏观尺度上,引力才会起到决定性的作用。目前人类还没有得到自洽的微观的量子引力理论。因此,我们不知道是否存在“引力子”这样的代表引力相互作用的基本粒子。 我们提到了三类基本粒子:参与四种相互作用的夸克,参与三种相互作用的电子,和参与两种相互作用的中微子。还有一类粒子,它们的主要功能是负责传播相互作用,因此得名“传播子”。例如,传播强相互作用的叫胶子,它能把夸克们“粘”在一起,形成中子质子介子等亚原子粒子。传播弱相互作用的叫W+,W-,Z玻色子。传播电磁相互作用的叫光子。我们知道现代社会经常把“工”和“商”放在一起,比如工商局,工商大学,工商银行。同样,弱相互作用也可以和电磁相互作用一起,统一为电弱相互作用,正所谓“五百年前是一家”。由于类似的原因,我们经常把电子和中微子归为一类,称为轻子;而夸克自成一类,称为强子。还有一种理论上预言的希格斯粒子,人们认为它赋予了基本粒子的质量。粒子物理学“标准模型”中的四大类粒子就是:强子,轻子,传播子,和希格斯粒子。我们要讨论的中微子振荡现象,主要集中在强子和轻子之中。 (基本粒子无时不刻的沐浴在相互作用真空的“海洋”中) “三生万物”——基本粒子家族的血缘关系 明朝开国皇帝朱元璋设计了一个很变态的户籍制度:“龙生龙,凤生凤,老鼠儿子只能去打洞”。也就是说,每个人都只能继承它父亲的职业,不得随便更改。这个制度放在粒子物理的观点来看,似乎有一定的道理。 上夸克,下夸克,电子,和电子中微子互为兄弟姐妹。前面两个是强子,后面两个是轻子。而下夸克是上夸克的对称性伙伴,电子中微子是电子的对称性伙伴。这就好像一家的大儿子叫阿龙,再生个儿子就叫阿虎一样,上夸克,下夸克,电子,和电子中微子的名字反映了它们之间的“血缘”关系。 上帝不知道为什么在制造了上下夸克,电子,电子中微子之后,又心血来潮,Ctrl+C,Ctrl+V,又Ctrl+C,又Ctrl+V,硬要把这个组合复制两遍,一共弄出三代来。正所谓“一生二,二生三,三生万物”,不是“二生万物”,也不是“一生万物”。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;粲夸克的后代叫顶夸克,而奇夸克的后代叫底夸克。 同样的道理,电子的后代是μ子,电子中微子的后代是μ(缪)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。这里后代的名字受到历史原因的影响,比较拗口。大家喜欢的话,完全可以给他们改个名字叫“普天同庆”“团队之星”和“飞火流星”。 “普天同庆”变成“团队之星”,讲述的就是电子中微子转化为μ子中微子的故事。 《2012》的致命漏洞 前文我们提到过,在太阳内部的核聚变反应中,弱相互作用占有重要的地位。许多弱相互作用都会产生电子中微子。我们知道中微子不带电,又不像电子,质子,中子那样参与那么多相互作用。因此,许多中微子一经产生,就很容易以(接近)光速从半径几十万公里的太阳内部跑出来。相比之下,核聚变释放出的光子,由于频繁参与相互作用,反复被吸收发射,从太阳内部跑出来的平均时间是1万年到17万年。这是多么不可思议的事情,我们所沐浴的温暖阳光,竟然是数万年前从太阳内部产生的,虽然跑完从太阳表面到地球的距离,光只需要8分钟。 因此,虽然人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光,但是从太阳这样的恒星中获得的信息有点儿“过时”。如何才能获得“即时”的信息呢?那就探测太阳发出的电子中微子吧!【注1:1987年一颗超新星爆发时发射的中微子流比可见光早了两个半小时抵达地球】 说到太阳发出的电子中微子,大家也许会立刻想起电影《2012》来。在这个伪科幻电影中,人类之所以面临地狱般的劫难,就是因为这些电子中微子加热了地核。实际上,《2012》的漏洞非常明显。地球上的每一平方厘米的地方,每秒钟都有百亿个太阳中微子穿过。如果从太阳内部发出的中微子能加热半径数千公里的地球,那么它首先应该加热数十万公里的自身才对。那样的话,人们早就会发现太阳不对劲了,还用的着挖那么大的一个坑才发现?其次,人体本身也是由基本粒子组成,人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。如果中微子的能量那么容易被吸收,难道人类不会先被照出病来吗?况且,地球本身也会发射大量中微子…在所谓的太阳中微子引起的山崩地裂之前,人类早该变成蜂窝煤了。 真实的情况是,中微子能够很容易地穿透地球,然后它们“挥一挥衣袖,不带走一片云彩”。这是因为能够吸收中微子的弱相互作用反应截面比较小,而中微子又不参与强相互作用和电磁相互作用。这个原因很好理解,设想影视歌三栖明星,外加金马奖金曲奖得主,让他不戴墨镜不乘车在南京路步行街走两圈试试看?肯定没两步就让人拦住签名了,说不定还有人即兴求爱呢。可同样是名人,你把诺贝尔物理学奖得主温伯格请到南京路,抬一块写着电弱相互作用哈密顿量的小黑板,再拿个高音喇叭边走边喊:“瞧一瞧看一看,温伯格来上海啦”。可能一条街走七个来回都没几人待见他。为啥?这就是由“相互作用类型不同”,“反应截面太小”造成的。 温伯格有时候也会上科普纪录片,他写的每一部书都是经典。 “实验报告出炉日,家祭无忘告乃翁” 因此,好消息是2012年不会像电影里一样,坏消息是探测太阳中微子非常困难。上世纪60年代,物理学家来到美国南达科他州的一个1千5百米深的矿井中,安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳中微子会被氯37原子核内的中子吸收,使后者变成一个质子,并释放出一个电子。然后,氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37,就会知道这个装置吸收了多少中微子。不过,这些被吸收的中微子并不全是太阳发出的。除去噪声,物理学家得到的结果是平均每天吸收0.5个太阳中微子,一年才180多个!为了得到令人信服的大量数据,在参考文献引用的一张一页半长的表格里,这个实验整整跨越了25年!设想一个学生刚刚博士毕业,打算测量一下中微子,出一些有意义的成果评个好职称。运气好的话,论文发表时,他同学的娃都大学毕业了;运气不好的话,实验进行到一半就下岗了。正可谓:“实验报告出炉日,家祭无忘告乃翁”(当然,阶段性的成果还是会有的)。 (这是中微子吸收过程的一个费曼图的演示,中子和质子被表示成了三个上、下夸克和胶子组成的束缚态) 实验报告的出炉并没有让忙碌了大半辈子的物理学家松一口气,反而更加疑惑起来。因为根据对太阳模型的理论计算,中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。其余的中微子跑到哪儿去了呢?这个事情被称为“太阳中微子丢失之谜”。此时,善于根据答案解释英文阅读理解题的理论物理学家们开始发挥特长了,为了能在数据的枪林弹雨中生存下来,各种理论物理小白鼠要开始突变了。物理学家最先想到的是修改太阳模型,但很快宣告失败。因为太阳模型一更改,跟其他的观测就对不上了。那么太阳的中微子为什么会丢失呢?聪明的你一定猜出来了,是因为“普天同庆”变成了“团队之星”,中微子发生振荡啦! 上述实验中的四氯乙烯是专门用于探测吸收太阳电子中微子的,如果电子中微子在到达地球前,转化成了μ子中微子或者τ子中微子的话,得到的数据当然比理论值偏小了。按照这个解释,如果设计一个能够同时探测“普天同庆”和“团队之星”的实验,就可以了解它们之间是否可以相互转化了。 上世纪90年代初,日本物理学家在岐阜县的一个1千米深的矿井下建造了一个装有5万吨超纯水的大水缸,并在水缸四周安装了1万3千只光电倍增管。大家知道水中的光速比真空中的光速小很多。如果中微子被水中的原子核吸收,并相应的释放出高能电子或者μ子的话,后者的速度可能高于水中的光速,发出切伦科夫辐射。此时,1万3千只光电倍增管就像1万3千只眼睛一样记录下这一切。如果电子中微子被吸收,释放出高能电子,它的轨迹会像水中的乒乓球一样“飘忽”;如果μ子中微子被吸收,释放出高能μ子的话,它的轨迹会像水中的铅球一样“稳定”。所以,让电子眼们数一数多少事件“飘忽”多少事件“稳定”就大功告成啦。这就是超级神冈探测器。 小柴昌俊 1998年,以小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)为代表的中微子振荡联合研究小组用这种方法成功证明了,大气中微子发生了代与代之间的振荡。大气中微子来自于宇宙高能射线和大气的相互作用( 参见 游识猷 : 疯狂科学家的公式化生存 ),因此,它的能量往往比太阳中微子的能量高出很多。因为μ子质量是电子的200多倍,吸收μ子中微子释放μ子的过程,要比吸收电子中微子释放电子的过程需要消耗更多的能量。所以,美国的太阳中微子实验测不到μ子中微子而日本的大气中微子实验可以。2001年,该实验小组又证明了太阳中微子也发生了代与代**之间的振荡。一年之后,小柴昌俊等人被授予诺贝尔物理学奖。 (超级神冈探测器,理论物理研究和实验物理研究的“精髓”都在于挖坑和灌水!) 答案在于“地磁偏角” 中微子确实会发生振荡,那么它们为什么要振荡呢?终于到了回答这个问题的时刻了!原来,上帝造三代基本粒子的时候,就像造地球的时候一样,故意留下了一些不完美。例如,地球的地磁南北极和自转南北极以及公转南北极并不重合,前者的夹角叫做“地磁偏角”,后者的夹角叫做“赤道黄道夹角”。从理论上讲,地球上的任意一点都可以定义为北极,指向北极的方向可以定义为正北,然后再据此定义其他方向。但实际上,人类对方向的感知、测量和定义都和具体的测量手段密不可分。如果夜观星象,那么很容易找到地理北极的方向,从而定义正北。如果野外又碰上下雨天,那么只能依靠指南针测量地磁北极*的方向了。可是,你要寻找的是地理北极的正北,却只能测得地磁北极的正北,那怎么办呢?你会发现,只要相对于地磁北极的正北,再偏转一定的“地磁偏角”之后就搞定了。实际上,地球表面每一点“地磁偏角”的数值都不相同。你要是绕着地球一遍又一遍的走,就会发现一个奇怪的现象,地磁北极和地理北极的夹角发生了“振荡”,有时候偏东了,有时候偏西了,有时候又偏南了。可实际上,地磁北极的经度纬度都是固定的,只不过随着你的位置不同,它和地理北极的相对夹角发生了变化而已。 相同的道理,所谓的这个中微子,那个中微子,不过是量子场态空间的“地磁南北极”而已(叫做“味”本征态)。弱相互作用就是阴雨天的指南针,可以告诉我们探测到的中微子代表“哪个方向”【注2,我们可以看出上下夸克的名字就是方向】。而我们无法直接测量中微子的质量本征态指向“哪个方向”,也就是对应的“地理南北极”(叫做“质量”本征态,就像“地理南北极”一样,它决定了量子态随时间演化的性质)。然而,当时间流逝时,中微子场态空间的“地磁南北极”和“地理南北极”之间的“地磁偏角”就会不断振荡。于是,纯种的电子中微子从太阳中发射出来后,立刻就会成为一定比例的三种中微子的量子线性叠加。当它们到达地球上的探测器时,相互作用的测量会破坏量子线性叠加态,使它按照比例,以一定概率坍缩成电子中微子,μ子中微子或τ子中微子。就像“地磁偏角”的振荡跟你的位置和速度有关一样,中微子振荡也跟中微子流的位置和能量有关。例如,在我国的大亚湾核电站附近建立几个不同位置的中微子探测器,我们就会发现不同探测器中得到的三种中微子的比例是不同的,由近及远会得到周期性振荡的结果。 看完中微子振荡的故事,大家一定想问,作为中微子的兄弟姐妹,夸克,电子们会不会也有振荡呢?答案是肯定的。实际上,由于夸克是参与强相互作用的粒子,夸克“振荡”的现象要比中微子振荡的发现早得多。只不过由于强相互作用的色禁闭,夸克不能独立存在,所以科学家观测到的是由(反)下夸克和奇夸克组成的K 0 介子振荡。为了描述这两代夸克和质量本征态之间的夹角,1963年(当时还没发现第3代夸克),卡比波(Cabbibo)引入了一个2乘2的矩阵。当时日本的年轻学生小林诚(Kobayashi)和益川敏英(Maskawa)发现,2乘2的矩阵好像“不够用”,就顺手弄了一个3乘3的矩阵出来(叫做CKM矩阵,是三者名字的缩写,这也从某种意义上预言了第三代夸克的存在)。四十多年之后的2008年,小林诚和益川敏英被授予诺贝尔物理学奖。笔者了解CKM矩阵的时候是2007年,当时年少无知,不知道这个工作如此重要。曾经幼稚的幻想,这有什么了不起,一会儿我就写个4乘4的,5乘5的矩阵出来! 原来CKM矩阵的意义不仅在于揭示了夸克这种基本粒子的性质,更重要的在于它体现了物理学中的CP破坏问题【注3,C和P分别代表物理学过程的两种对称性变换,CP破坏就是某个反应在CP共同变换下无法保持对称性】。物理学家们相信,宇宙诞生之初一定是正反物质各占一半,由于某些原因使得后来正反物质比例发生变化,没有完全湮灭成光子。而CP破坏是一种对称性的破坏,正好可以影响宇宙中正反物质的比例。因此,CKM矩阵不但是一个重要的工作,而且是个很要命的工作。看来我们的上帝把基本粒子Ctrl+C,Ctrl+V了三代,又让它们振荡来振荡去,并非任性胡闹,而是有深刻的原因啊! 由此我们知道,夸克“振荡”和中微子振荡是板上钉钉的事情,而从理论上讲,中微子的对称性伙伴电子、μ子和τ子之间也应该发生类似的振荡。目前还没有确凿的实验证据能够证明这一观点,不过可以想象,一旦实验报告出炉,那一定又是一个诺贝尔奖级别的成果。大家不要着急,等大家的娃们大学毕业之后,电子振荡的实验报告应该就完成的差不多了。那时候不知道世界杯会在哪儿举行,不知道中国足球处在什么水平,不知道谁还能回忆起“普天同庆”和“团队之星”。 参考文献:1.超级神冈探测器的网站 2.邢志忠教授的学术报告 3.维基百科及其相关参考文献 4.感谢conq和iceherMIT的相关讨论 5. 在南极冰下建造世界上最大的望远镜 *.文中的“地磁北极”特指靠近地理北极的那个磁极。 **.流行的表述是中微子发生了“味”的振荡。文中提到过的任何物质粒子都可以看做一种“味”。
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准备好了没有?超新星要来了!
热度 2 caojun 2011-1-27 02:03
参宿四是地球夜空中第八大最亮恒星,是猎户座里第二大最亮天体。 维基百科中说:参宿四已经走到了它生命的终点,在未来几百万年中,它随时都可能爆炸,成为第二类超新星。由于它离地球非常近,只有497到789光年,当它爆炸时,天空中将出现两个太阳。 最近,英国的《每日邮报》报道说:它最早有可能2011年晚些时候,或者2012年就爆炸。 博主注:信不信由你!本人概不负责! 1987年,距地球16万8千光年的大麦哲伦云内有一个超新星爆发,命名为1987A。有三个中微子实验观测到了来自1987A的中微子。日本的神岗-II探测到了11个,美国的IMB探测到了8个,俄国的Baksan探测到了5个。中微子爆发持继了13秒钟。2002年,神岗-II的领导者小柴昌俊因“探测宇宙中微子”而获得诺贝尔奖。 为什么探测超新星中微子很重要? 1)当超新星爆发时,爆炸从其核心传到星球表面需要比较长的时间,比如半个小时到几个小时。当星球表面翻腾,耀眼的光芒射出的时候,爆炸实际上已经开始一段时间了。核心开始爆炸时,光在地底下,是传不出来的。但是中微子可以!因为它不被物质吸收。实际上,超新星爆炸99%以上的能量是被中微子带走的。当地球上观测到超新星中微子的时候,我们知道,再过半个小时,天空中就要出现一颗耀眼的星星(或者太阳)。在这可贵的半小时内,地球上的长枪短炮,各式各样的望远镜都会被调到对准中微子实验预言的天区。毕竟中微子难以探测,电磁波(包括光)探测仍然是主要观测手段。现在的大型中微子实验,大多加入了“超新星预警系统”,随时准备预告。 2)中微子有质量,所以能量越高的中微子飞得越快。但是它的质量太小太小了,现在的实验还没有看出它的速度与光速的差别。通过探测不同能量的中微子从遥远的星际到达地球的时间差,可以给出中微子的绝对质量。目前计划中最好的直接测质量的实验,KAKTRIN和MARE,预期能测量最轻的中微子的绝对质量到0.2eV。大概还是测不出来。当然,参宿四离我们太近,这个时间差大概也很难。 3)测量电子中微子和电子反中微子的能谱,能够用来判别各种超新星理论模型,从而对宇宙中的天体演化规律提供依据。
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[转载]大亚湾时代的中微子物理
caojun 2010-11-2 10:11
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中微子为什么要振荡?(下)
songshuhui 2010-7-8 19:26
Sheldon 发表于 2010-07-07 8:50 中微子为什么要振荡?(上) 《2012》的致命漏洞 前文我们提到过,在太阳内部的核聚变反应中,弱相互作用占有重要的地位。许多弱相互作用都会产生电子中微子。我们知道中微子不带电,又不像电子,质子,中子那样参与那么多相互作用。因此,许多中微子一经产生,就很容易以(接近)光速从半径几十万公里的太阳内部跑出来。相比之下,核聚变释放出的光子,由于频繁参与相互作用,反复被吸收发射,从太阳内部跑出来的平均时间是1万年到17万年。这是多么不可思议的事情,我们所沐浴的温暖阳光,竟然是数万年前从太阳内部产生的,虽然跑完从太阳表面到地球的距离,光只需要8分钟。 因此,虽然人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光,但是从太阳这样的恒星中获得的信息有点儿过时。如何才能获得即时的信息呢?那就探测太阳发出的电子中微子吧!【注1:1987年一颗超新星爆发时发射的中微子流比可见光早了两个半小时抵达地球】 说到太阳发出的电子中微子,大家也许会立刻想起电影《2012》来。在这个伪科幻电影中,人类之所以面临地狱般的劫难,就是因为这些电子中微子加热了地核。实际上,《2012》的漏洞非常明显。地球上的每一平方厘米的地方,每秒钟都有百亿个太阳中微子穿过。如果从太阳内部发出的中微子能加热半径数千公里的地球,那么它首先应该加热数十万公里的自身才对。那样的话,人们早就会发现太阳不对劲了,还用的着挖那么大的一个坑才发现?其次,人体本身也是由基本粒子组成,人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。如果中微子的能量那么容易被吸收,难道人类不会先被照出病来吗?况且,地球本身也会发射大量中微子在所谓的太阳中微子引起的山崩地裂之前,人类早该变成蜂窝煤了。 真实的情况是,中微子能够很容易地穿透地球,然后它们挥一挥衣袖,不带走一片云彩。这是因为能够吸收中微子的弱相互作用反应截面比较小,而中微子又不参与强相互作用和电磁相互作用。这个原因很好理解,设想影视歌三栖明星,外加金马奖金曲奖得主,让他不戴墨镜不乘车在南京路步行街走两圈试试看?肯定没两步就让人拦住签名了,说不定还有人即兴求爱呢。可同样是名人,你把诺贝尔物理学奖得主温伯格请到南京路,抬一块写着电弱相互作用哈密顿量的小黑板,再拿个高音喇叭边走边喊:瞧一瞧看一看,温伯格来上海啦。可能一条街走七个来回都没几人待见他。为啥?这就是由相互作用类型不同,反应截面太小造成的。 温伯格有时候也会上科普纪录片,他写的每一部书都是经典。 实验报告出炉日,家祭无忘告乃翁 因此,好消息是2012年不会像电影里一样,坏消息是探测太阳中微子非常困难。上世纪60年代,物理学家来到美国南达科他州的一个1千5百米深的矿井中,安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳中微子会被氯37原子核内的中子吸收,使后者变成一个质子,并释放出一个电子。然后,氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37,就会知道这个装置吸收了多少中微子。不过,这些被吸收的中微子并不全是太阳发出的。除去噪声,物理学家得到的结果是平均每天吸收0.5个太阳中微子,一年才180多个!为了得到令人信服的大量数据,在参考文献引用的一张一页半长的表格里,这个实验整整跨越了25年!设想一个学生刚刚博士毕业,打算测量一下中微子,出一些有意义的成果评个好职称。运气好的话,论文发表时,他同学的娃都大学毕业了;运气不好的话,实验进行到一半就下岗了。正可谓:实验报告出炉日,家祭无忘告乃翁(当然,阶段性的成果还是会有的)。 (这是中微子吸收过程的一个费曼图的演示,中子和质子被表示成了三个上、下夸克和胶子组成的束缚态) 实验报告的出炉并没有让忙碌了大半辈子的物理学家松一口气,反而更加疑惑起来。因为根据对太阳模型的理论计算,中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。其余的中微子跑到哪儿去了呢?这个事情被称为太阳中微子丢失之谜。此时,善于根据答案解释英文阅读理解题的理论物理学家们开始发挥特长了,为了能在数据的枪林弹雨中生存下来,各种理论物理小白鼠要开始突变了。物理学家最先想到的是修改太阳模型,但很快宣告失败。因为太阳模型一更改,跟其他的观测就对不上了。那么太阳的中微子为什么会丢失呢?聪明的你一定猜出来了,是因为普天同庆变成了团队之星,中微子发生振荡啦! 上述实验中的四氯乙烯是专门用于探测吸收太阳电子中微子的,如果电子中微子在到达地球前,转化成了子中微子或者子中微子的话,得到的数据当然比理论值偏小了。按照这个解释,如果设计一个能够同时探测普天同庆和团队之星的实验,就可以了解它们之间是否可以相互转化了。 上世纪90年代初,日本物理学家在岐阜县的一个1千米深的矿井下建造了一个装有5万吨超纯水的大水缸,并在水缸四周安装了1万3千只光电倍增管。大家知道水中的光速比真空中的光速小很多。如果中微子被水中的原子核吸收,并相应的释放出高能电子或者子的话,后者的速度可能高于水中的光速,发出切伦科夫辐射。此时,1万3千只光电倍增管就像1万3千只眼睛一样记录下这一切。如果电子中微子被吸收,释放出高能电子,它的轨迹会像水中的乒乓球一样飘忽;如果子中微子被吸收,释放出高能子的话,它的轨迹会像水中的铅球一样稳定。所以,让电子眼们数一数多少事件飘忽多少事件稳定就大功告成啦。这就是超级神冈探测器。 小柴昌俊 1998年,以小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)为代表的中微子振荡联合研究小组用这种方法成功证明了,大气中微子发生了代与代之间的振荡。大气中微子来自于宇宙高能射线和大气的相互作用( 参见 游识猷 : 疯狂科学家的公式化生存 ),因此,它的能量往往比太阳中微子的能量高出很多。因为子质量是电子的200多倍,吸收子中微子释放子的过程,要比吸收电子中微子释放电子的过程需要消耗更多的能量。所以,美国的太阳中微子实验测不到子中微子而日本的大气中微子实验可以。2001年,该实验小组又证明了太阳中微子也发生了代与代**之间的振荡。一年之后,小柴昌俊等人被授予诺贝尔物理学奖。 (超级神冈探测器,理论物理研究和实验物理研究的精髓都在于挖坑和灌水!) 答案在于地磁偏角 中微子确实会发生振荡,那么它们为什么要振荡呢?终于到了回答这个问题的时刻了!原来,上帝造三代基本粒子的时候,就像造地球的时候一样,故意留下了一些不完美。例如,地球的地磁南北极和自转南北极以及公转南北极并不重合,前者的夹角叫做地磁偏角,后者的夹角叫做赤道黄道夹角。从理论上讲,地球上的任意一点都可以定义为北极,指向北极的方向可以定义为正北,然后再据此定义其他方向。但实际上,人类对方向的感知、测量和定义都和具体的测量手段密不可分。如果夜观星象,那么很容易找到地理北极的方向,从而定义正北。如果野外又碰上下雨天,那么只能依靠指南针测量地磁北极*的方向了。可是,你要寻找的是地理北极的正北,却只能测得地磁北极的正北,那怎么办呢?你会发现,只要相对于地磁北极的正北,再偏转一定的地磁偏角之后就搞定了。实际上,地球表面每一点地磁偏角的数值都不相同。你要是绕着地球一遍又一遍的走,就会发现一个奇怪的现象,地磁北极和地理北极的夹角发生了振荡,有时候偏东了,有时候偏西了,有时候又偏南了。可实际上,地磁北极的经度纬度都是固定的,只不过随着你的位置不同,它和地理北极的相对夹角发生了变化而已。 相同的道理,所谓的这个中微子,那个中微子,不过是量子场态空间的地磁南北极而已(叫做味本征态)。弱相互作用就是阴雨天的指南针,可以告诉我们探测到的中微子代表哪个方向【注2,我们可以看出上下夸克的名字就是方向】。而我们无法直接测量中微子的质量本征态指向哪个方向,也就是对应的地理南北极(叫做质量本征态,就像地理南北极一样,它决定了量子态随时间演化的性质)。然而,当时间流逝时,中微子场态空间的地磁南北极和地理南北极之间的地磁偏角就会不断振荡。于是,纯种的电子中微子从太阳中发射出来后,立刻就会成为一定比例的三种中微子的量子线性叠加。当它们到达地球上的探测器时,相互作用的测量会破坏量子线性叠加态,使它按照比例,以一定概率坍缩成电子中微子,子中微子或子中微子。就像地磁偏角的振荡跟你的位置和速度有关一样,中微子振荡也跟中微子流的位置和能量有关。例如,在我国的大亚湾核电站附近建立几个不同位置的中微子探测器,我们就会发现不同探测器中得到的三种中微子的比例是不同的,由近及远会得到周期性振荡的结果。 看完中微子振荡的故事,大家一定想问,作为中微子的兄弟姐妹,夸克,电子们会不会也有振荡呢?答案是肯定的。实际上,由于夸克是参与强相互作用的粒子,夸克振荡的现象要比中微子振荡的发现早得多。只不过由于强相互作用的色禁闭,夸克不能独立存在,所以科学家观测到的是由(反)下夸克和奇夸克组成的K 0 介子振荡。为了描述这两代夸克和质量本征态之间的夹角,1963年(当时还没发现第3代夸克),卡比波(Cabbibo)引入了一个2乘2的矩阵。当时日本的年轻学生小林诚(Kobayashi)和益川敏英(Maskawa)发现,2乘2的矩阵好像不够用,就顺手弄了一个3乘3的矩阵出来(叫做CKM矩阵,是三者名字的缩写,这也从某种意义上预言了第三代夸克的存在)。四十多年之后的2008年,小林诚和益川敏英被授予诺贝尔物理学奖。笔者了解CKM矩阵的时候是2007年,当时年少无知,不知道这个工作如此重要。曾经幼稚的幻想,这有什么了不起,一会儿我就写个4乘4的,5乘5的矩阵出来! 原来CKM矩阵的意义不仅在于揭示了夸克这种基本粒子的性质,更重要的在于它体现了物理学中的CP破坏问题【注3,C和P分别代表物理学过程的两种对称性变换,CP破坏就是某个反应在CP共同变换下无法保持对称性】。物理学家们相信,宇宙诞生之初一定是正反物质各占一半,由于某些原因使得后来正反物质比例发生变化,没有完全湮灭成光子。而CP破坏是一种对称性的破坏,正好可以影响宇宙中正反物质的比例。因此,CKM矩阵不但是一个重要的工作,而且是个很要命的工作。看来我们的上帝把基本粒子Ctrl+C,Ctrl+V了三代,又让它们振荡来振荡去,并非任性胡闹,而是有深刻的原因啊! 由此我们知道,夸克振荡和中微子振荡是板上钉钉的事情,而从理论上讲,中微子的对称性伙伴电子、子和子之间也应该发生类似的振荡。目前还没有确凿的实验证据能够证明这一观点,不过可以想象,一旦实验报告出炉,那一定又是一个诺贝尔奖级别的成果。大家不要着急,等大家的娃们大学毕业之后,电子振荡的实验报告应该就完成的差不多了。那时候不知道世界杯会在哪儿举行,不知道中国足球处在什么水平,不知道谁还能回忆起普天同庆和团队之星。 参考文献:1.超级神冈探测器的网站 2.邢志忠教授的学术报告 3.维基百科及其相关参考文献 4.感谢conq和iceherMIT的相关讨论 5. 在南极冰下建造世界上最大的望远镜 *.文中的地磁北极特指靠近地理北极的那个磁极。 **.流行的表述是中微子发生了味的振荡。文中提到过的任何物质粒子都可以看做一种味。
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中微子为什么要振荡?(上)
songshuhui 2010-7-8 17:28
Sheldon 发表于 2010-07-05 16:00 世界杯足球赛的某场关键比赛中,主队和客队在120分钟内战成了0:0,只能通过点球大战决出胜负。双方共派出的10名主发点球的球员依次出场,在前9次的点球互射中,主队和客队分别打入4个球。此时,客队最后一名发点球的13号球员出场了,全场观众都安静了下来,气氛紧张到了极点。如果他成功打入这个点球的话,那么客队将获得整场比赛的胜利。世界杯的历史将再一次刷新,而13号球员将和他的队友教练员们一起成为整个国家的英雄。 120分钟的比赛几乎耗尽了队员们的绝大部分体力。不过13号是下半场才替换上场的小将,体力充沛,加上教练员要求大家全线龟缩,因此13号此时看起来充满着信心。只见他不慌不忙的走到点球区,将本届世界杯的专用足球普天同庆按在草皮上,摆正了方向,再缓缓后退3步。此时,对方门将也异常紧张,双眼紧盯13号的双腿,祈祷能够有奇迹发生。 裁判的哨声响起,13号大力推射,门将奋力扑救,球应声入网。全场顿时响起轰炸机般的呜呜祖啦声,庆祝客队取得了本次比赛的最终胜利。客队的替补球员们冲入球场疯狂庆祝,而主队的球员们则垂头丧气的避开摄影机镜头,打算迅速离开这个伤心之地。主队门将1号拾起球门内的足球,正打算狠狠的摔一下发泄失败的烦闷。可是他发现情况有些不对,追上去将球呈给了裁判。裁判立刻判罚进球无效,比赛仍未结束,同志仍需努力。 原来,被13号射出的普天同庆,在空中飞行的一段时间后,竟然变成了上一届世界杯专用足球团队之星,然后落入球门。根据本届世界杯的规则,这样的进球无效。 真的有奇迹发生了吗?当然,谁也不会相信这样匪夷所思的事情,除了专门研究匪夷所思的粒子物理学家们。普天同庆不可能变成团队之星,不过组成普天同庆的基本粒子,夸克,电子,以及发射出的中微子们,却个个都有七十二般变化的本领。如果那一脚射出去的是电子中微子的话,那么飞入球门时,很有可能就变成子中微子;如果射门距离更长的话,后者很有可能又在途中变回原来的电子中微子。这样的现象叫做中微子振荡。那么,好好的中微子为什么非要振荡呢?你是普天同庆就是普天同庆,为什么非要变成团队之星呢?如果要变的话,有没有可能变成2002年的飞火流星呢?要想了解这个问题,让我们先了解一下中微子是个什么东西吧。 士农工商中微子和它的兄弟姐妹 我们给基本粒子分类起名字,就像给任何新鲜事物起名字一样,总是力图概括它的基本特征。而这一概括,总是建立在某些特殊背景的基础上,使普通读者们觉得词不达意,不知所云。比如,我这样的理科书生看电影《杜拉拉升职记》,发现开头的人物介绍完全看不懂,什么大客户经理,行政秘书,助理人事行政经理,不知道在说什么。如果有人在旁边介绍一下,说大客户经理相当于饭店里管包厢服务员的,行政秘书是扫地打杂的,助理人事行政经理是小监工领班的,我就能明白了。所以,让我们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。 就像中国古代社会分为士农工商四个阶层一样,自然界存在着四种的基本相互作用:强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力相互作用。士是能量最大的一级阶层,它能够管理其余三个阶层。而强相互作用顾名思义是最强大的一种相互作用,参与强相互作用的物质基本粒子夸克,同时也参与弱、电磁、引力其他三种相互作用,是基本粒子中质量最大的一类。例如质量最大的顶夸克,跟一个铅原子的质量差不多。强相互作用把夸克捆绑成质子,中子,又把后者捆绑成原子核(这个捆绑的有效距离仅限于原子核内,因此日常生活当中感觉不到)。要是没有强相互作用,宇宙也许不过是一锅夸克汤,更加不可能有人类。 原子弹释放的大部分能量来自强相互作用 商是能量较小的一级阶层,但其作用范围相当广泛,除了不能买卖官爵之外,什么都能买卖。而许多社会活动的价值,都需要通过商的作用才能得到体现。比如明朝张居正以前,据说收税直接收实物,给士发工资也直接发实物。当官的要是不把棉花天麻找商人换成钱,日子根本没法过。因此,电磁相互作用相当于商的阶层,它的作用体现在了日常生活当中的每一个角落。你看电视(视力),这是电磁相互作用,你踢足球(压力),这是电磁相互作用,你骑单车(摩擦力),这是电磁相互作用,你划小船(浮力),这还是电磁相互作用。 摩擦力 在物理学中,就算你要研究除电磁相互作用以外的其他三种相互作用,对不起,你还需要借助电磁相互作用。人类几乎所有的先进探测仪器都借助了电磁相互作用。如果没有天线,没有光电倍增管,没有威尔逊云室中的过饱和,以及将信息最终带至视网膜的光,物理学也许还停留在牛顿时代,更不用说人脑中分析信息的亿万个神经元,参与的也是电磁相互作用了。因此,在物质基本粒子中,电磁相互作用的代表电子,同时也参与弱、引力其他两种相互作用。我们知道爱因斯坦的质能定律E=mc 2 ,也就是说质量和能量可以互相转化。由于电子不参与强相互作用,因此电子的质量比夸克小的多,大约是后者的几分之一到十几分之一。 太阳妈妈释放的能量大部分来自强相互作用,却主要是通过电磁相互作用(发光)传播到地球的。 工在古代是指手工业,现代社会中对应于中低端的制造业。在基本粒子物理学中,弱相互作用还真有点儿中低端制造业的样子。我们知道太阳是万物之母,地球上一切人类活动的能量大都来源于太阳能,而太阳能来自于氢核子聚变成氦核子的一系列核反应过程。这一系列核反应包括了强、弱两种相互作用( 参见 游识猷 : 疯狂科学家的公式化生存 ),虽然弱相互作用释放的能量相对较少,但没有了它,整个核聚变反应根本无法进行。 太阳之中的核反应,碳循环,看起来很像二氧化碳合成葡萄糖的那个循环。lam1指出该循环对太阳核反应的贡献远小于质子质子循环,而更多的出现在更大质量恒星的核反应中。 如果再往前追溯,我们会问,恒星中哪儿来的这么多氢和氦呢?这是宇宙大爆炸后的核合成时期形成的。宇宙最初三分钟的一种弱相互作用导致的核反应决定了质子和中子的比例。我们知道氢原子核中只有质子,而氦原子核当中有质子和中子。因此,是最初三分钟的弱核反应决定了我们宇宙的原初元素组成。这怕是名副其实的中低端制造业了。如果这个制造业当初稍有偏差,改变了质子中子的比例,也许宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端制造业就永远无法出现了。顺便说一句,弱相互作用的应用越来越广泛,例如医院放射科用于治疗癌症的钴-60,测定文物年代的碳-14等等。因此,弱相互作用虽然不起眼,但对于宇宙、对于人类来讲仍然是至关重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子,它同时也参与引力相互作用。中微子的质量只有电子的百万分之一,不参与电磁相互作用,当然也就不带电。此时,我们一定能够理解中微子的名字和它的特征之间的关系它是一种中性的微小的只参与两种相互作用的基本粒子。 Co-60的衰变会放出电子和反中微子,不过治病靠的是随后放出的伽马射线 农在我们的比方中对应着万有引力的相互作用。就好像任何时代任何国家的发展都离不开农业,一切基本粒子都参与引力相互作用。只不过,相对于其他四种相互作用,引力的强度是最弱的。只有在宏观尺度上,引力才会起到决定性的作用。目前人类还没有得到自洽的微观的量子引力理论。因此,我们不知道是否存在引力子这样的代表引力相互作用的基本粒子。 我们提到了三类基本粒子:参与四种相互作用的夸克,参与三种相互作用的电子,和参与两种相互作用的中微子。还有一类粒子,它们的主要功能是负责传播相互作用,因此得名传播子。例如,传播强相互作用的叫胶子,它能把夸克们粘在一起,形成中子质子介子等亚原子粒子。传播弱相互作用的叫W + ,W - ,Z玻色子。传播电磁相互作用的叫光子。我们知道现代社会经常把工和商放在一起,比如工商局,工商大学,工商银行。同样,弱相互作用也可以和电磁相互作用一起,统一为电弱相互作用,正所谓五百年前是一家。由于类似的原因,我们经常把电子和中微子归为一类,称为轻子;而夸克自成一类,称为强子。还有一种理论上预言的希格斯粒子,人们认为它赋予了基本粒子的质量。粒子物理学标准模型中的四大类粒子就是:强子,轻子,传播子,和希格斯粒子。我们要讨论的中微子振荡现象,主要集中在强子和轻子之中。 (基本粒子无时不刻的沐浴在相互作用真空的海洋中) 三生万物基本粒子家族的血缘关系 明朝开国皇帝朱元璋设计了一个很变态的户籍制度:龙生龙,凤生凤,老鼠儿子只能去打洞。也就是说,每个人都只能继承它父亲的职业,不得随便更改。这个制度放在粒子物理的观点来看,似乎有一定的道理。 上夸克,下夸克,电子,和电子中微子互为兄弟姐妹。前面两个是强子,后面两个是轻子。而下夸克是上夸克的对称性伙伴,电子中微子是电子的对称性伙伴。这就好像一家的大儿子叫阿龙,再生个儿子就叫阿虎一样,上夸克,下夸克,电子,和电子中微子的名字反映了它们之间的血缘关系。 上帝不知道为什么在制造了上下夸克,电子,电子中微子之后,又心血来潮,Ctrl+C,Ctrl+V,又Ctrl+C,又Ctrl+V,硬要把这个组合复制两遍,一共弄出三代来。正所谓一生二,二生三,三生万物,不是二生万物,也不是一生万物。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;粲夸克的后代叫顶夸克,而奇夸克的后代叫底夸克。 同样的道理,电子的后代是子,电子中微子的后代是(缪)子中微子;子的后代是(套)子,子中微子的后代是子中微子。这里后代的名字受到历史原因的影响,比较拗口。大家喜欢的话,完全可以给他们改个名字叫普天同庆团队之星和飞火流星。 普天同庆变成团队之星,讲述的就是电子中微子转化为子中微子的故事。 土鳖啃铁牛
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科学家写科幻
caojun 2010-6-30 03:04
假如存在造物主,我是说假如的话,他/她/它想给他/她/它的子民们留一条消息,怎样做,才能使无论位于宇宙的哪个角落,出现在哪个时间,以什么形式出现的文明,都能看到这条消息? 这不是科幻小说,这是一篇科学论文,发表在《现代物理通讯》上 (SCI的!),两名作者都是理论物理学家,一位来自俄勒岗大学,另一位来自加州大学圣芭芭拉分校。宇宙从大爆炸诞生起,已经137.5亿年了,经过了暴胀,冷却,星系形成,时时刻刻都在膨胀,最后微不足道的一点时间内才形成了我们人类文明。假如有这样一条消息,在遥远的宇宙另一侧,迟或早几十亿年,怎么才能读到跟我们一样的消息呢?实际上,换一个不那么吓人的问题,也可以问,在宇宙演化中什么量是可以承载信息,而信息又不会随演化而丢失的。寻找不变量或说是守恒量,是物理学家最感兴趣的事情。作者说,宇宙微波背景辐射温度分布的涨落,投影到球谐坐标,就可以得到一组放之宇宙而皆准,不随时间变化的数。作者估计,这里面最多可以提供10万比特的编码信息。当然,这样放之宇宙而皆准的东西,可能还有宇宙背景中微子或引力波。 从ISI Web of Knowledge,可以查到这篇文章被引两次,一篇是会议文集,另一篇是哲学论文。该哲学家认为:神学与玄学是科学范围之外的,因为它们既不具有预言能力,也不具有统一能力。能产生新的预言内容的神学假说则可被看成是科学的,比如这篇文章。Okay,既然哲学家都这么看,那发表在科学杂志上也不奇怪。重要的不是假设,而是方法。 这样不务正业的科学家还不少。上面那位加州大学的Zee,与另外的作者合作,还写了其它有意思的东西。一篇叫《星际中微子通讯》,建议用0.63亿亿电子伏(6.3PeV)的中微子实现星际通讯 。用电磁波在浩瀚宇宙间通讯是不太合适的,也不安全,万一被坏蛋外星人听见了呢?同样,SETI计划(寻找外星人计划,早先曾由美国政府支持,现在基本上由私人机构支持)也该试着用大型的中微子探测器,而不仅仅是电磁波。这篇文章发表在更有名的《物理快讯B》上,不过还没有人引用。该文的第一作者是夏威夷大学的John Learned。Learned是我们较熟悉的中微子实验家,现在也参与了一些实验,但主要精力大概花在推销他的Hanohano实验计划上。Hanohano的全称是夏威夷反中微子探测器,计划做成1万吨的液体闪烁体探测器,沉在夏威夷附近的海底,可以测量地球中微子,监测反应堆等等。当然,也可以找外星人,如果外星人先用中微子向我们打招呼的话。Learned与Zee等人还写过《造父变星宇宙因特网》 ,听起来就比较神。顺着这条线走下去,还真查到不少这样科幻一样的科学论文,绝不仅仅这几篇。 其实,科幻与科学是孪生兄弟。最有名的科幻著作大概是凡尔纳的《海底两万里》。随着科学技术发展,他幻想的潜水艇与人类登月后来都变成了现实。一般认为,英国诗人雪莱的夫人玛丽.雪莱1818年写的《科学怪人》是第一部科幻小说。但是据路甬祥院士考证,1610年,德国天文学家开普勒就创作了科幻小说《梦》(见《世界著名科学家科幻小说系列》序言)。科幻常分为软科幻和硬科幻,前者强调哲学、社会、心理等问题,弱化科技的份量,而后者则追求细节的准确,以科技推动情节发展。相当多的科幻作家本身就是优秀的科学家,尤其是硬科幻。例如科幻小说三巨头中,亚瑟.克拉克是卫星通讯技术的奠基者,阿西莫夫是波士顿大学的生物化学教授,既是科幻作家,也是相当出色的科普作家。科学家写科幻,还得想一想发表在哪儿合适。 宇宙大爆炸论的奠基人之一伽莫夫写过《物理世界奇遇记》。高中的时候家里不知道怎么有这本书,当然看不懂,也没听说过伽莫夫和宇宙大爆炸,只觉得内容挺怪,大部分的情节(如果有的话)都没印象,只记住了几张插图:一个人骑着自行车慢慢过来,街道变短了,窗户变得象狭缝;将台球收到三角形框架内时,球开始在框内滴溜溜地转,然后居然漏了出来;打猎时一只老虎扑过来,拿着猎枪瞄准,结果看到一排老虎,像《说唐》里罗成的绝招梅花七蕊。大学时学了相对论和量子力学,忘掉了老师悉心教给的复杂积分后,突然想起这些图,恍然大悟。 Message in the Sky, D.H. Hsu and A. Zee, Mod. Phys. Lett. A 21, 1495 (2006), arXiv:physics/0510102 . Galactic Neutrino Communication, John G. Learned, Sandip Pakvasa, A. Zee, Phys. Lett.B 671, 15, 2009. arXiv:0805.2429 The Cepheid Galactic Internet, John G. Learned, R-P. Kudritzki, Sandip Pakvasa, A. Zee, arXiv:0809.0339
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光子之能量是如何变成质量的?
热度 2 yindazhong 2010-4-25 16:22
学者尉吉勇于 2010-4-19 在科学网发表了一篇博文提出: 物 质 向能量(光) 转 化 沿 ... 。文中提问道:光的本质是什么呢?光会绕圈吗?绕圈的光子是暗子吗?。关于光绕圈圈我作了一个简单地讨论,把我以前的思考介绍了一下。现转述如下: 物理世界中最常见的光子肯定是绕着圈圈前行的:试想,如果将光投影到沿着其运行方向的平面上,便是我们看到的光波图形;但若是投影到光路的横截面上则可看到光的偏振(分别在 X 和 Y 两个方向上看见部分光,或者 X 方向可全见而 Y 方向看不见,反之亦然)。总之,光只有绕着圈圈走才会有上述诸现象。 此时若是在光线前行的方向的侧面猛推一把,光子就会拐弯,若这个弯拐得足够大,光子就绕成了一团变成了物质?!这个在侧面猛推一把的,能把能量变为物质的上帝并非笔者一厢情愿地虚构,其实就是中微子是耶!光子从能量流中分出一小部分(中微子能流)向侧面射出从而使得整个能量流得到了反冲动能而拐弯,进而自闭性地绕圈圈,应该是再简单不过的雕虫小技了! 关于物质粒子中的光能量流是整天在饶 8 字还是绕 9 字,这里不做细究,还是留点好玩的游戏给傻帮兄长们,以及留给未来吧
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大亚湾中微子实验展板
caojun 2010-1-21 12:21
最近为大亚湾现场控制室制作的6块展板。 1 2 3 4 5 6
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T2K近点探测器观测到中微子
caojun 2009-12-1 22:53
原文来源: http://www.kek.jp/intra-e/press/2009/J-PARCT2K2.html 名词解释(译者注): KEK :日本高能加速器研究机构,相当于我们的高能所。 J-PARC :日本质子加速器研究设施,位于日本东海,包括物质与生命应用(即散裂中子源)、中微子应用、核与粒子物理应用等三大设施。 K2K : KEK To Kamioka ,从 KEK 到神岗的长基线加速器中微子实验,是世界上第一个加速器中微子实验,第一次用人工中微子源验证了大气中微子振荡。 T2K : Tokai to Kamioka ,从东海 J-Parc 到神岗的长基线加速器中微子实验。 T2K 近点探测器观测到中微子 2009 年 11 月 24 日 KEK / T2K / J-PARC Center 日本领导的 T2K 中微子国际合作组的物理学家今天宣布,上周末他们观测到了来自新建的中微子束流线的第一个事例。该束流线位于日本东海市的 J-PARC 加速器实验室。来自 30 GeV 同步加速器主环的质子被送到一个碳靶上,碰撞产生带电粒子 p 介子。这些 p 介子穿过一个充满氦的容器,并在其中衰变,产生难以捉摸的粒子束流中微子。中微子然后飞行 200 米 ,穿过地层,来到一个精巧的、能够详细测量其能量、方向和种类的探测器系统。这个复杂探测器系统的数据还需要进一步分析,但是物理学家已经看到了至少三个中微子事例,数目与根据束流和探测器性能推算出的期望值相符。 KEK研究机构的 粒子与核物理研究所所长、 T2K 的缔造者西川公一郎( Koichiro Nishikawa )教授说, T2K 实验即将揭示中微子的另一个秘密。我感谢所有直接或间接支持过这个实验的人,感谢来自世界各地的杰出的合作者们,他们使这个实验走到了今天。 T2K 的所有人也欠了加速器物理学家一个情,他们非常努力地工作,建造并调试了加速器。特别地,我要感谢日本政府和所有其它给了我们大力支持的外国政府,我准备请求后续的支持。我们准备尽全部的努力,来充分地揭示中微子的秘密。 这个观测标志着 T2K 实验运行阶段的开始。这是一个由 500 名科学家、 12 个国家组成的合作组,目标是测量神秘的中微子的新性质。 KEK 实验室主任铃木厚人( Atsuto Suzuki )教授说, T2K 实验进行的中微子研究将揭开中微子的未知性质。全世界的研究人员肯定会感到忌妒,因为看来好像中微子新性质的发现又一次要在日本做出了!中微子探测是走向这个目标的第一步,对实验结果我已经等不及了。中微子只与物质微弱地相互作用,因此可以毫不费力地穿过地球(或者探测器)。中微子有三种类型,分别是电子型、缪子型、和陶子型,通过相互作用与它们更著名的带电表兄弟,例如电子,联系在一起。在过去几十年的测量中,特别是在日本西部的超级神岗和 KamLAND 中微子实验,已经显示出中微子具有振荡的奇怪性质,即一种中微子在传播过程中会变成另一种中微子。中微子振荡要求中微子有质量,在我们以前的粒子物理理论中是不允许的,因此它将刺探新的物理规律,在物质基本结构的研究中具有极大的意义。它们也许还跟宇宙中为什么物质多于反物质的谜有关,因而成为世界范围内的研究热点。 T2K 实验发言人小林隆( Takashi Kobayashi )博士说:中微子振荡研究是我们真正理解最基本的物理定律的最好的工具。这个周末的进展使我们朝完全理解它们迈进了一步。 精确测量中微子振荡可以采用人工的中微子束流。 K2K 实验是加速器中微子实验的先驱,从 KEK 实验室产生的中微子,在靠近富山市的超级神岗探测器被探测到。 T2K 是 K2K 实验更加强大和精巧的版本。流强更高的中微子束流从 J-PARC 加速器实验室新建的同步加速器主环被引出。这个束流线是 KEK 的物理学家与其它日本研究机构合作,并在美国、加拿大、英国和法国的 T2K 合作者的帮助下建成的。美国 T2K 项目的负责人,石溪分校的 Chang Kee Jung 教授说,我有点被这看上去毫不费劲的成功打蒙了,特别是考虑到加速器、操作、以及国际合作的复杂性。这是日本政府对基础研究有力支持的结果,我希望这种支持能持续下去。这也是所有参与人的努力与创造性的结果。我对不远的将来这个实验的更多奠基性的发现前景感到兴奋。束流又一次对准了超级神岗。它刚刚升级了新的电子学和软件。超级神岗实验的发言人,东京大学宇宙线研究所的铃木洋一郎( Yoichiro Suzuki )教授说,这是 T2K 的伟大的一步,我们会很快在距 J-PARC 295 公里 外的超级神岗看到中微子相互作用。我们刚刚 为这个实验更换了所有的前端电子学和在线系统。在中微子离开 J-PARC 前,它们的性质由一个设计精巧的近点探测器确定。探测器有一部分是基于 CERN 捐赠的一个巨大的磁铁。它以前曾被用于中微子实验(以及因为发现 W 和 Z 玻色子而获得诺贝尔奖的 UA1 实验。 W 和 Z 玻色子是中微子相互作用的基础)。正是这个探测器探测到了第一个事例。 T2K 的国际共同发言人,伦敦帝国理工大学和卢瑟福实验室的 Dave Wark 教授说:看到探测器中的第一个事例是非常令人满足的。这是许多人努力的结果。我想我们要喝一两瓶清酒来庆贺,然后给 CERN 送一瓶,我听说他们也需要几瓶。(译者按:可能是指近期再次启动的大型强子对撞机 LHC )。苏黎世理工的 Andre Rubbia 教授领导了修复和从 CERN 运送这个大磁铁的工作。他说:看到第一个来自束流的中微子,我们感到极为兴奋!我们从很远的地方到这个独一无二的实验设施来工作。 T2K 是一个世界范围内多国合作,来发现大自然新的基本属性的联合努力的好例子。 第一个中微子事例在一个叫 INGRID 的特殊探测器中被发现,它的目的是探测中微子束流的方向和分布。东京大学的中家刚( Tsuyoshi Nakaya )教授领导建立了这个近探测器。他说:我们在中微子束流运行时实时地发现了第一个中微子。探测到这个事例建立在来自世界各地的许多 T2K 同事的努力上。我要特别地感谢许多年轻的研究人员,他们非常努力地工作了很长的时间,特别是京 都的 博士生们,他们在高级研究人员的压力下在线地分析数据,发现了这个事例。来自巴黎 CEA/Saclay 实验室的 Marco Zito 博士领导法国在这个实验上的工作,帮助建造了 INGRID 。他补充说:这是中微子物理的伟大的一天!这是第一个新一代的国际中微子振荡实验设施开始工作。我们期盼着第一个 T2K 运行阶段和物理结果的丰收。特别是近点探测器采用了创新的技术,可以为中微子作用提供详细的信息。这个探测器结构将使我们能进行精确测量,也许还有令人兴奋的发现。对 T2K 中微子束流的进一步测试将在 12 月进行,整个实验计划在 1 月中旬开始正式取数。另一个重要的里程碑将很快被发现在超级神岗实验中观测到一个来自 T2K 束流的中微子事例。运行取数将持续到夏天,到那时,对现在还未观测到的全部三代中微子之间的振荡主导的关键振荡模式,实验有希望取得迄今为止最灵敏的搜索。接下来这种搜索会进一步改进,在观察到 3 模振荡的情况下,比较中微子与反中微子的振荡,刺探中微子部分的反物质物理。领导加拿大参与这个实验的 Jean-Michel Poutissou 教授说,我很高兴由 50 名科学家组成的加拿大小组与 400 多名日本和其它国家的伙伴一起,经过 6 年的努力,取得了这次美妙的早期成功,在 J-PARC 刚刚安装好的中微子设施看到了第一个中微子。我感受到了我们这些有机会参与这项国际前沿研究的年轻学生 和 博士后的兴奋,非常感谢他们。这也许是他们在一个全球环境中作为我们社会的未来领导所能得到的最好的训练。 背景资料 : T2K 合作组由来自 12 个国家(日本、韩国、加拿大、美国、英国、法国、西班牙、意大利、瑞士、德国、波兰、俄罗斯) 62 个研究机构的 508 名物理学家组成。实验由一个最近在日本东海市 J-PARC 实验室建造的 30GeV 同步加速器的新的中微子束流线、一个离中微子产生靶 280 米 的近点探测器,以及日本西部的超级神岗探测器组成。 (曹俊译)
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核学会2009年会随想——II:场外讨论
caojun 2009-11-24 01:56
参加科学会议,最大的收获往往不在会场上,而在会场外。如果只听在会场上报告的内容,现在网上往往能找到演讲者相似的报告,提问题呢,局限于时间与环境,也很难得到多少东西。场外讨论就深入、自由得多。因此,办好一个科学会议,创造一个好的场外条件很重要(比如吃吃喝喝^_^)。如果大家都是来走过场,报告完就走人,那起不到什么交流作用。 在去会场的路上,跟吕军光老师了解了点碘化铯的知识。我担心不容易找到低本底的PMT来做低本底探测器,日本滨松卖给日本的一个实验的PMT可以做到1mBq,肯定是挑过的,大概就不会这么卖给我们了。BESIII的碘化铯用光电二极管读出,但是阈值大约对应400个光电子。用雪崩管能做到10个光电子,我们探测弱光,需要单光电子,看来还得用PMT。为了跟PMT配合,吕建议我们用碘化铯(钠),不要用碘化铯(铊)。兰州近物所也可以生产碘化铯晶体,从德国进口原料,但不知道能不能生产碘化铯(钠),能不能搞到低本底的原料。正好后来开会时近物所的李占奎报告,我问了这两个问题。感觉近物所快变成我们的探测器上游而不是平行了。后来聊了点地下实验。以前我们所在门头沟做过钙48的无中微子双beta衰变实验,从长春光机所借的氟化钙晶体,从防化所借的铅砖。这倒不错,省了很多经费,一个基金委面上项目就做成了个实验。当然精度跟现在国际上动辄上百M$的没法比。我们做透紫外容器时用过氟化钙,不过我没想到它的光产额也这么高,接近碘化钠的一半。钙48的天然丰度只有0.187%。离心或者激光浓缩同位素的代价都极其高昂。alpha粒子轰击?放到反应堆里去炼?大概都不靠谱。所以现在还找不到低成本的无中微子双beta衰变实验。
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2012,中微子毁灭世界?
热度 1 caojun 2009-11-12 18:54
玛雅文明记载,到目前为止,地球已经过了四个太阳纪,而每一纪结束,地球都会上演一出惊心动魄的毁灭惨剧。2012年将是第五个太阳纪结束的时候,届时末日将会到来。今天上演的灾难片《2012》,由电影《独立日》、《哥斯拉》、《后天》的导演艾默里奇呈现给大家更加震撼的场景。这一次,灾难的起因被设定成太阳的爆发,大量的中微子射向地球,将地核像微波炉一样加热,于是火山爆发,海啸、地震、洪水将都市像玩具一样搅成碎片。 在这部电影里,艾默里奇还展现了解放军抗震救灾,让中国观众感到亲切。 11月6日,美国宇航局(NASA)在官方网站上公开声明: 2012年12月21日不是世界末日 。 然而由于电影拍得太逼真,许多网民认为电影《2012》关于世界末日的故事是真的,纷纷在网站留言,谴责NASA隐瞒真相。 2012年的太阳活动可能确实会比以往都厉害,会给通讯带来不小的麻烦。不过把《2012》当作软科幻看大概还能对付过去,当作硬科幻则漏洞百出,成为现实就更加不可能了。要吸收一个太阳发出的中微子,得用从地球到太阳那么厚的铅层。绝大部分中微子会穿过地球,扬长而去,只有极少数极少数的中微子会被吸收。地核里也没有什么处于高能级的核素,能被中微子触发,释放出能量。因此,能量只能来源于被吸收的中微子本身。太阳的能量主要以光波的形式发出,要是中微子能把地球像微波炉一样烤热,地表早就被阳光烤焦了。超新星爆发时倒是中微子带走99%以上的能量。这是因为爆发的早期光不能从星核中传出来,而中微子可以。这种情况下有可能地核先热了,给地球表面上还没被烤焦的人类带来灾难。以太阳的质量,它成不了这样的超新星。就算成了,那也等不到第五纪,前四纪结束时,靠太阳更近的水星之类的早就被蒸发了。
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现代物理学勘误(九)--E=MC2与中微子
llllaa 2009-9-9 19:33
写在前面:本文中之观点均为非主流观点,如果您是学生或者非物理学专业人士,最好不要读此文以免被误导,如果出于好奇您一定要读,请一定以怀疑的眼光来看待本文中之观点。欢迎您发表自己的看法。 10、E=MC2与中微子 本来不想针对相对论发表什么看法,因为这已经成为物理学科最为敏感的话题,但是E=MC2涉及到的问题无法回避,因此不得不说一说。 相对论出现的目的是驱除迈、莫实验这朵近代物理学乌云,有人说相对论的判别实验并不是民科们所关注的迈、莫实验,但是我要说其他的判别实验并不比迈、莫实验更高明,因为如果迈、莫实验被正确的解释,那么我们可能真的需要反思相对论存在的必要性。 经典理论中有没有一个速度是在所有惯性坐标系中都一样的?有,那就是,相对论是一种坐标变换,这种变换使得光速C与等效,它是否与事实相符都没有关系,因为这是初始假定,是相对论成立的前提,这就是自洽,很多人号称推翻相对论,但是当我看到他试图从数学推理上入手后面的我就不看了,因为这人没有真正明白相对论。 相对论的变换使得光速C与等效,把速度看成更基本的量,这种变换是有代价的,那就是使得相对论系统与经典伽利略系统完全割裂开来,表现在首先由于光速有限,所以相对论系统不适合研究高速物体,这与现代人们的认识相反,我也不想如此,但是我真的没有找到相对论适合高速物体的任何证据。其次洛伦兹变换使得质量M、能量E、甚至坐标X时间T的意义都发生了变化,即E=MC2在相对论系统中是正确的,但是此E非彼E,此M非彼M,它已经不是我们认为的物理量。 一个运动的时钟不同地点的人看到的时间不同,如果一个瞎子通过钟声判断时间那么又会得到不同的时间,相对论把感知的时间作为本质的时间,这是典型的人择理论。 从一个坐标系变换到另一个坐标系,时间在运动方向已经不是处处一致了,我们怎么能够说变换后的坐标系还是均匀的惯性系?你会说我犯了个错误,就是我是站在变换之前的坐标系来评价变换后的坐标系,即用牛顿力学的东西反对相对论,是的,这也是99%反对相对论的人所犯的错误。但是我这里要强调的是另一种更为严重的错误,就是现代物理有多少地方滥用了相对论的结论,把相对论的结论例如 E=MC2直接用到实际场合,而不管其中的E或M是否是我们认为的量。 世界上真正懂相对论的人只有两个半,这句话可能到今天仍然适用,当官科们嘲笑民科的时候,可能自己正在从另一个方向误读相对论。 相对论是正确的,但是在光速不变的假设前提下,即使你证明了光速不变的错误,也不能推翻相对论,只能使相对论成为一种无用的理论。迈、莫实验使得近代物理天空浮现了一朵乌云,相对论并没有驱散它,而是把天空变成了伸手不见五指的黑夜,把乌云掩盖了起来。 中微子作为最小的基本粒子,本来只有一种,但是由于这个尺度的粒子除了通过引力作用消耗能量之外,并没有其他的方式与环境交换能量,其能量值是很稳定的,所以几种具有不同能量的中微子由于E=MC2的误导,就成了几种不同的粒子。
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不存在干净的容器——转贴量子日记2009-6-19
caojun 2009-8-21 01:22
大亚湾反应堆中微子实验的中微子探测器使用极为透明的液体闪烁体,中微子探测器则浸泡在纯净水中。为了防止探测器材料污染纯净水和液体闪烁体,自2007年2月起,数百个材料与纯水或液体闪烁体的化学兼容性试验在北京的高能物理所和美国的布鲁克海汶实验室进行。 在纯净水工业中,不锈钢会析出杂质污染水是常识性的,尽管不大。析出量大约是30 ng/cm 2 /h。聚丙烯与聚乙烯的析出量约为不锈钢的0.14和0.29倍。聚四氟乙烯和石英好得多,析出量为不锈钢的0.07倍。在我们的兼容性实验中,材料被泡在液体闪烁体中,通过监测液体闪烁体的紫外可见吸光度随时间的变化来判断是否有杂质析出到液体中。我们发现除了少数氟塑料对液体闪烁体的污染难以察觉外,大部分的塑料对液体闪烁体的污染是明显的。特别有意思的是,高密度聚乙烯对烷基苯的污染很小,可是线性低密度聚乙烯则非常明显。因此我们估计,由于聚合方法不同,线性低密聚乙烯存在较多的未聚合单体,浸泡在溶剂中时易于析出。 廉价的一次性塑料器皿在全世界的生物实验室中被广泛使用。加拿大阿尔伯特大学的药理学副教授安德鲁霍尔特发现,所用的塑料试管会析出两种生产塑料所用的添加剂:消毒剂DiHEMDA和润滑剂油酸酰胺,这些析出物使他的实验结果莫明其妙。2008年11月他在《科学》杂志上发表文章,称从塑料实验容器中溶出的化学物质可能会使生物、医学研究的精确性大打折扣。 我们可以得到如下结论:1)从塑料容器中析出的化学物质可能会使粒子物理实验的精确性大打折扣,不过不值得发表;如果使生物医学研究的精确性大打折扣,那就值得发表在《科学》上。2)一项成果,也许不是原创性的,甚至是常识性的,如果能够帮助很多人,那也是很重要的成果。 后记:我问我的同事张智勇是否碰到过这种情况。他说多年前就注意到了,上海应用物理所检测了多个国内厂家的产品,最后选择了一个杂质含量最低的厂家,通过他们买了这个厂家的1万个瓶子。
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暗物质信号又没了——转贴量子日记2009-5-15
caojun 2009-8-21 01:12
上个月我在博客里提到了ATIC实验。不少人很是为它看到的可能是暗物质信号的结构激动了一阵。转眼进入五月,HESS和Fermi/GLAST两个实验就用更精确的数据否定了ATIC结果。 稍微数一数,在我短短的十几年研究生涯里,类似的事情已经不少:lepto-quark, 五夸克态, Heidelberg-Moscow的无中微子双贝塔衰变,还有不少。大部分还是基于严肃的数据分析,只是在解释上大胆地发挥了一下现象力。有些数据分析则像是开玩笑。 有的实验刚开始没人相信是对的,例如Ray Davis的太阳中微子实验,可怜的家伙就一直做了三十年,终于熬成了获奖时年龄最大的诺贝尔奖获得者。也有的实验介于两者之间,例如Reines和Cowan发现中微子的实验。大家相信他们发现了中微子,测得的反应截面也与理论符合得很好,只差5%。第二年,李杨发现宇称不守恒,这样原来的理论值不对,截面大了整整一倍。于是他们又重新分析了数据,算出的反应截面居然也大了一倍,实验结果跟着理论跑得很好。这么重要的发现,居然等了四十年才想起来发个奖。比Davis更可怜的Cowan终于没能熬过岁月,等到发奖的那一天。因此,邢志忠经常好心地提醒大家,假如你做出了重要的工作,一定要活得长。 科学总是在这些真真假假的争论中发展。Kandice Carter写过一篇 五夸克态的回顾 ,说尽管五夸克态看上去是个错觉,科学家行进的小巷里总是充满有趣的发现。
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意大利之旅——转贴量子日记2009-3-31
caojun 2009-8-21 01:01
量子日记又重新跟大家见面了。2005年量子日记启动的时候,我的朋友、中微子理论家邢志忠教授曾为大家贡献了不少有趣的文章。量子日记暂停后,志忠又转战 科学网博客 ,坚持不懈,孜孜不倦地提供各种小道消息。 据说这次重新启动与《天使与魔鬼》电影5月15日公映活动有关。《天使与魔鬼》是丹布朗写的小说,《达芬奇密码》的姊妹篇。小说的背景是欧洲核子研究中心的科学家维特勒研制出了蕴含着极其强大能量的反物质,结果被人杀害,反物质被人窃取,藏到了梵帝冈,用以要挟即将进行的教皇选举。接到量子日记重新启动的消息的时候,我正在准备去意大利参加中微子望远镜2009研讨会。上一次去意大利是2005年,我刚看完《天使与魔鬼》不久,到罗马郊区的Frascatti参加中微子工厂研讨会。2000年时候,我曾经到罗马走马观花地旅游过一次,但对书中建筑的种种隐喻完全没有印象。开完会后,第二天清晨坐火车来到罗马。飞机要很晚才起飞,我有将近一天的时间重新看一看。罗马火车站行李寄存处生意兴隆,排了至少两小时的长龙。于是我背着包,拖着行李箱,沿着丹布朗的路线,一直走到天使堡。 威尼斯的三月非常漂亮,意大利饭和红酒非常好,当然,会议报告也同样有意思。例如,来自东京都立大学的Minakata教授做了一个报告叫中微子非标准相互作用:柳树下的又一条鳗鱼?。出处来自日本的一条谚语 柳树下的又一条泥鳅 。泥鳅据说喜欢呆在柳树下,你曾经在柳树下找到了一条泥鳅,但并不意味着在同一个地方还能抓到一条。他问你们知道泥鳅吗?,与会的大部分西方人没有反应。我想这也是他题目中把泥鳅改成鳗鱼的原因。我已长久不关心理论物理,因此无法在报告内容的一大堆符号中抓住关键。不过我很熟悉泥鳅,它在适宜种植水稻的水乡是非常常见的。还有一道名菜叫泥鳅豆腐。
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