給喜歡物理的孩子寫一個故事:追蹤中微子

給喜歡物理的孩子寫一個故事:追蹤中微子

現在各種信息網上都有，我隻是寫一個簡單的故事。

人類一開始發現核裂變的時候，有一個疑惑。中子衰變的時候，變成一個電子加一個質子。這兩個帶相反的電荷，所以在觀測粒子的雲室裏加了磁場走反方向轉的螺線。但是，實驗發現，這個衰變放出的能量，也就是電子和質子的動能加在一起，不是個常數。能量不守衡，動量也不守衡，因為經常兩個粒子並不是往反方向走，能量也多少不一。

於是有有人合理猜想，另有一個不帶電的粒子同時被釋放出來，質量很小，把它加進去才能同時滿足能量和動量守衡。給它起個名字，叫中微子（NEUTRINO-NEUTRI=中性，-NO=微小）。

這中微子概念上被提出來，很多年一直沒有被人看到過。按正常思維，放出三個高能粒子，應該周圍物質被激發觀察到三個事件，但是一直到五十年代才利用核反應堆裏發生的輻射直接觀察到它的存在。

那麽下麵要做的一件事，是說你說它是沒有靜止質量的，這個需要驗證。怎麽驗證呢？沒有靜止質量的粒子（比如光子），它在真空裏的速度是一定的，跟能量沒關係。但是有靜止質量的粒子，能量越高，速度越大。所以，假如同一時間產生一組能量不一的粒子，經過很長距離傳播以後，能量高的會比能量低的先到達。

這件事說得容易做得難。因為中微子誰也不愛搭理，可以毫發無損地穿過地球或者你和我（不必害怕，因為它跟物質基本不作用，不會在你體內產生輻射傷害），科學家花了幾十年費了老大勁一共也沒抓住幾個中微子，都是分散事件，不足以用來做這個研究。

希望在哪裏呢？超新星爆炸坍塌的時候，會在極短時間內放出巨大能量，主要是中微子。所以，會有足夠的中微子在差不多的時間到達地球。

可是，超新星是極其稀少的事件。科學家造了幾個裝了五萬加侖的純淨水的水缸周圍裝滿探測器，來守株待兔。等了很多年一無所獲。

1987年的某一天，一個天文學家在智利的天文台工作。他夜裏出來透口氣，往天上一看，發現熟悉的大麥哲侖星雲裏出現了一個原來沒有的亮點。發現新星了！

他極其興奮，趕快跑回去通知同事，以及全球的天文學家，掉轉所有能用的望遠鏡來觀察這個極為稀少的事件。

肉眼觀察到新星爆發，上次是在將近五百年以前。。

很快，從那幾個大水缸傳來好消息，日本的裝置在五秒的時間間隔裏探測到八個中微子，能量的探測有一定不確定度，基本是到達時間和能量呈線性關係。

這個新星，距離地球十七萬光年，也就是說這個事件早在現代人類還沒出現就已經發生了。經過十七萬年的漫長旅途，這些中微子陸陸續續來到地球。

從這個八個點的數據，推導出中微子靜止質量的上限，是電子的百萬分之一。

這是非常重大的結果。當時有人開玩笑，這次一共沒抓住幾個中微子，但是產生的文章可是比抓住的中微子多了好幾倍。。。

這個研究成果，被授予2002年諾貝爾物理獎，這離那八個中微子的發現，又是十五年過去了。

主持這個項目的小柴昌俊教授，此時已經七十六歲了。他活到2020年去世，在他有生之年，目睹了下一代科學家用另外一種方式驗證了中微子的質量。這個結果，獲得2015年諾貝爾獎。而這和當初中微子的假設提出，已經八十年過去了。。。

科學研究，經常是需要幾代人前赴後繼的努力。

http://spiff.rit.edu/classes/phys200/lectures/sn1987a_2/sn1987a_2.html