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科学家测定地球内部发射的“反中微子”

归档日期:06-10       文本归类:放射性衰变      文章编辑:爱尚语录

  腾讯科学讯 科学家通过测定来自地幔物质发射的反中微子,测定了地球产生的热量并确认地球形成于原始太阳物质。

  反中微子属于反物质(antimatter),是基本粒子的一种,它能够几乎毫无阻碍地贯穿地球。每一种粒子都有对应的反粒子,质量相等、电荷相反。当粒子与反粒子相遇时,它们就会彼此发生湮灭。

  当地球形成的时候,放射性元素钍和铀等分布于地幔当中。当这些元素发生放射性衰变时,伴随有热量和亚原子粒子反中微子的释放。放射性元素衰变释放的热量是驱动地幔物质运动的动力,进而也造成了地球各大板块的运动,导致地震的发生。

  因为地幔位于地表之下几十英里的地方,所以如果想了解放射性元素衰变产生了多少热量,唯一的方法就是测定由此产生的中微子数量。为了探测中微子,科学家在意大利大萨索山(Gran Sasso)地下实验室放置了大量的油性闪烁液。当反中微子进入液体与质子发生碰撞的时候,就会产生一颗正电子和一颗中子,从而产生明显的特征信号。

  实际上,科学家所探测到的反中微子大多来自于核电站的核反应堆,但可以通过测定中微子的能量水平,来区别反中微子的来源。当放射性元素钍和铀发生衰变的时候,就会放射出反中微子和一定的热量,因此探测到的反中微子数量越多,就越说明地球本身产生的热量越多。这还可以帮助地理学家优化板块运动理论。

  中微子的发现来自19世纪末20世纪初对放射性的研究。研究者发现,在量子世界中,能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的,而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的,是符合量子世界的规律的。奇怪的是,物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的,而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分,还有一部分能量失踪了。物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。

  1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值,能量守恒仍然成立,只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。1931年春,国际核物理会议在罗马召开,与会者中有海森堡、泡利、居里夫人等,泡利在会上提出了这一理论。当时泡利将这种粒子命名为“中子”,最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中,1931年,泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被发现后,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。

  1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。

  1956年美国物理学家柯万(Cowan)和莱因斯(Reines)等第一次通过实验直接探测到了中微子[2] 。他们的实验实际上探测的是核反应堆贝塔衰变发射的电子反中微子,该电子反中微子与氢原子核(即质子)发生反贝塔衰变,在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号,从而实现对中微子的观测。他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖

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