鬼粒子,是
中微子的别称,因中微子难以捕捉的特性而得名。中微子是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号ν表示。中微子不带电,自旋为1/2,质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动。
简介
鬼粒子其实就是
中微子。中微子体积微小,几乎没有质量,它们无处不在。中微子是在“大爆炸”中创造出来的,也能在太阳内部和人体内形成,科学家们认为,每秒约有100万亿个中微子通过人体,不过,对我们并没有伤害。由于中微子的运动速度很快且体型很小,科学家们很难探测到其行踪,从而对其进行仔细地研究,因此中微子也被称为“鬼粒子”。
发现历史
大亚湾中微子实验设备1930年,奥地利物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量不守恒现象,提出可能存在一种看不见摸不着的粒子,“偷走了”能量。这种粒子不带电,没有质量,几乎不与物质发生相互作用,因此捕捉不到它。泡利因为预言了中微子存在,在以后获得1945年
诺贝尔物理学奖。
1933年,这种粒子被意大利著名物理学家、1938年诺贝尔物理学奖得主费米正式命名为中微子。
1942年6月,美国物理学家艾伦根据王淦昌提出的方案进行实验,证实了中微子的存在,成为轰动全球物理学界的大事件。
中微子的存在被证实后,科学家下一步的工作就是测量
中微子与
质子相互作用引起的反应,进而直接探测中微子的活动规律。由于这种粒子难以捕捉,直到1956年,科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子。这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。最终,在泡利提出中微子假说以后的26年,人们第一次捕捉到了中微子,也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。
1988年,美国科学家莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格,因为发现第二种中微子——μ中微子而获
诺贝尔奖。
1995年,美国科学家莱因斯,因为1956年在实验中首次观测到中微子,而与τ子的发现者分享了诺贝尔物理学奖。
2002年,美国科学家戴维斯和日本科学家小柴昌俊因发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子而获诺贝尔奖。
结构
根据现代粒子物理学,构成物质世界的最基本单元是夸克和轻子。其中包括6种夸克和6种轻子。轻子包括3种带电轻子:e(电子)、μ子、τ子,以及3种中微子即
电子中微子、μ中微子、τ中微子。
在地球1平方厘米表面上,也就是指甲盖大小,每秒就会落下约600亿个来自太阳的中微子。每秒无数中微子穿过一个人身体,但不会发生作用。对它来说,人基本上是空的。
性质
鬼粒子研究如果没有
中微子,太阳不会发光,不会有比氢更复杂的原子,没有碳、氧、水、空气,没有地球,没有月亮,没有人类,也没有宇宙。中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源和演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。
但中微子非常轻、不带电、几乎不与物质发生相互作用,难以捕捉,被称为鬼粒子。在所有已知粒子中,中微子是最古怪的,总共有三种类型的中微子:(陶)子中微子、(缪)子中微子和电子中微子,理论推测,它们会随周围环境或由自身触发在三种类型间不断转化,这被称为“中微子震荡”,但为何会震荡,还是个未解之谜。
研究进展
中国
2003年前后,国际上有7个国家提出了8个有关中微子震荡的实验方案,最终进入建设阶段的共有3个:中国的大亚湾实验、法国的DoubleChooz实验和韩国的RENO实验。大亚湾实验、法国的DoubleChooz实验和韩国的RENO实验。
2012年3月8日,
大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布,合作组发现了一种新的中微子振荡即第三种振荡模式。这一发现轰动全球科学界。
美国
美国中微子实验探测器2014年,全球距离最远的中微子实验在美国启动,旨在研究自然界中最飘忽的亚原子粒子之一—中微子,研究结论或许有助于我们更好地解释宇宙形成的奥秘。这台名为“Nova”的设备由两台相距800公里的大型探测器组成,将生成世界上功能最强大的中微子束,可用来探究自然界最难以捉摸的亚原子粒子之一。科学家们认为,更好地理解中微子,将有助于我们进一步厘清宇宙的形成和演化进程。位于美国芝加哥附近的
费米国家加速器实验室将发射世界上最长、最强大的中微子束。“Nova”探测器将利用这种中微子束来记录中微子的证据链。
在接下来的6年时间里,费米国家实验室将以中微子束的形式,朝着这两台探测器,每秒发送数万亿中微子。科学家们认为,这两台探测器,每天或许只能捕获很少的中微子,因为中微子性格孤僻,几乎不与物质相互作用。科学家们有望从这些数据中获得更多与中微子为何会发生震荡以及如何震荡的线索。
法捷耶夫-波波夫鬼粒子
在
物理学中,法捷耶夫-波波夫鬼粒子(Faddeev–Popov ghost),是一种为了保持
路径积分表述的一致性而引入规范量子场论的附加场,以
路德维希·法捷耶夫和维克多·波波夫的名字命名。
法捷耶夫-波波夫鬼粒子之所以是必须要引入的,是因为在路径积分表述中,量子场论必须给出明确、非奇异的解,而由于
规范对称性的存在,我们无法从大量的因
规范变换而相关的物理上等价的不同解挑选出唯一的解。这个问题起源于路径积分重复考虑的规范对称相关的场组态,这些其实对应于相同的物理态;路径积分的
测度包含一个系数,其不允许我们直接用一般的方法(例如
费恩曼图方法)从原始的
作用量得到各种结果。但是,如果我们修改原始作用量,添加进去一个额外的场,打破规范对称性,那么一般方法就可以使用了。这种场就叫做鬼场。这一方法被称作“法捷耶夫-波波夫方法”(见BRST量子化)。这种鬼场只是一种计算工具,对外部来说并不对应于任何一种实际粒子:鬼粒子在
费恩曼图中只作为
虚粒子出现——或者说,只对应于某些规范组态的缺失。但是它对于维持
幺正性是至关重要的。
描述鬼粒子的公式和其具体形式与所选择的具体规范有关,但对于所有规范得到的实际结果是相同的。费恩曼-胡夫特规范是用于这个目的时最简单的规范,所以在这篇文章中我们都采用这种规范。
参见