我所了解的中微子

半导体物理 ——我所了解的中微子 姓 名 殷富有 学 号 GS12062448 所在学院 六院六队 授课老师 常胜利 联系电话 18874206254 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 目录 ..................................................................................................................................................2 一、中微子的发现...........................................................................................................................3 1.1 构成物质世界最基本的粒子............................................................................................3 1.2 中微子................................................................................................................................3 1.3 中微子的观测....................................................................................................................4 1.4 中微子未解之谜................................................................................................................5 二、中微子的研究历程...................................................................................................................5 2.1 放射性的研究奠定基础...................................................................................................5 2.2 泡利假说的提出...............................................................................................................5 2.3 β衰变定量理论的提出...................................................................................................6 2.4 中微子探测.......................................................................................................................6 2.5 历史年表............................................................................................................................7 三、中微子研究的新进展...............................................................................................................8 四、未来研究方向.........................................................................................................................10 五、我国对中微子的研究.............................................................................................................10 5.1 中微子实验......................................................................................................................10 5.2 中微子震荡的研究..........................................................................................................11 5.3 大亚湾中微子研究的成果..............................................................................................12 六、中微子应用.............................................................................................................................13 参考资料.........................................................................................................................................14 一、中微子的发现 1.1 构成物质世界最基本的粒子 粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有 12 种，包括了 6 种夸克（上、下、奇、粲、底、顶，每种夸克有三种色， 还有以上所述夸克的反夸克），3 种带电轻子（电子、μ子和τ子） 和 3 种中微子（电子中微子，μ中微子和τ中微子）而每一种中微子 都有与其相对应的反物质。中微子是 1930 年奥地利物理学家泡利为 了解释β衰变中能量似乎不守恒而提出的，1933 年正式命名为中微 子，1956 年才被观测到。 1.2 中微子 中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，几乎不与其他物 质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒 钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。中微子是一种难以捉摸的基本 粒子。它们质量非常小，不带电。太阳、宇宙线、核电站等都能产生 大量中微子。它极难被探测，几乎不与物质发生相互作用，被称为“鬼 粒子”，可以轻松地穿过人体、建筑，甚至地球，不带来任何影响。 所以，中微子在概念被提出 11 年后，科学家才在实验室中第一次观 测到这种神秘粒子的存在。中微子不仅在微观世界最基本的规律中起 着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，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。 中微子尽管曾被许多人认为是虚幻的，但它却能够做到如光线穿 透窗玻璃那般穿透金属铅之类的厚重物质，并且在运动过程中有三分 之一会发生从一种形态转为另一种的振荡现象。很多人认为，这些特 性无疑将令规则严苛的爱因斯坦相对论在其面前失去部分效用。 以前人们以为中微子是没有质量的，永远以光速飞行。1998 年日本 的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型，称为中 微子振荡，间接证明了它们具有微小的质量。不过这个质量非常非常 小，到现在还没有测出来，它们的飞行速度非常接近光速，到现在也 没有测出与光速的差别。由于它很难探测，是我们了解最少的基本粒 子，现在还存在大量的未解之谜。 1.3 中微子的观测 中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力，能穿 越地球直径那么厚的物质。在 100 亿个中微子中只有一个会与物质发 生反应，因此中微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒 子，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核 物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太 阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线 等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大 约为每立方厘米 100 个。1998 年，日本超神冈（Super-Kamiokande） 实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为 另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后，这一结 果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在 微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有 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。 由于中微子探测技术的提高，人们可以观测到来自天体的中微子，导 致了一种新的天文观测手段的产生。美国正在南极洲冰层中建造一个 立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯 也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND 观测 到了来自地心的中微子，可以用来研究地球构造。 1.4 中微子未解之谜 首先它的质量尚未直接测到，大小未知；其次，它的反粒子是它 自己还是另外一种粒子；第三，中微子振荡还有两个参数未测到，而 这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它有没有磁 矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物 理的交叉与热点学科。 二、中微子的研究历程 2.1 放射性的研究奠定基础 要追溯中微子发现的经过，还要从 19 世纪末 20 世纪初对放射性 的研究谈起。科学家们发现，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。 2.2 泡利假说的提出 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。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。但在 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。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”。 2.3 β衰变定量理论的提出 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心宿二。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。 2.4 中微子探测 泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但 终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说 过，中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候，我国物 理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心 着β衰变和检验中微子的实验。1941 年，王淦昌写了一篇 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 为《关 于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》 杂志上。1942 年 6 月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方 案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是这一年中世界物理学界 的一件大事。但当时的实验不是非常成功，直到 1952 年，艾伦与罗 德巴克合作，才第一次成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了 王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个。 在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测 量中微子与质子相互作用引起的反应，直接探测中微子。由于中微子 与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。直到 1956 年，这项 试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个 强中微子源，核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会 发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变。裂变碎片 大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此它不仅是强大的 中子源，也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小，要求 用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯 化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是是一 种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。由于 中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从 而证实了中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀 尔分享了 1995 年诺贝尔物理学奖。 2.5 历史年表 1930 年，德国科学家泡利预言中微子的存在。 1956 年，美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，莱因斯 获 1995 年诺贝尔奖。 1962 年，美国莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子—— 缪中微子，获 1988 年诺贝尔奖。 1968 年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获 2002 年诺贝尔奖。 1985年，日本神岗实验和美国IMB实验发现大气中微子反常现象。 1987 年，日本神岗实验和美国 IMB 实验观测到超新星中微子。日 本小柴昌俊获 2002 年诺贝尔奖。 1989 年，欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子。 1995 年，美国 LSND 实验发现可能存在第四种中微子——惰性中 微子。 1998 年，日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。 2000 年，美国费米实验室发现第三种中微子，陶中微子。 2001 年，加拿大 SNO 实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中 微子。 2002 年，日本 KamLAND 实验用反应堆证实太阳中微子振荡。 2003 年，日本 K2K 实验用加速器证实大气中微子振荡。 2006 年，美国 MINOS 实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。 2007 年，美国费米实验室 MiniBooNE 实验否定了 LSND 实验的结 果。 三、中微子研究的新进展 根据物理学的传统理论，稳定、不带电的基本粒子中微子的静止 质量应为零，然而美国科学家的研究从另一个角度有可能推翻这一结 论。据俄《知识就是力量》月刊报道，美国斯坦福大学的科研人员对 最近 24 年来人类探测中微子所获数据进行分析后发现，从太阳飞向 地球的中微子流运动具有某种周期性，每 28 天为一个循环，这几乎 与太阳绕自己的轴心自转的周期相重合。 美国科学家认为，这种周期性是由于太阳不均等的磁场作用造成 的。磁场强度的变化，使部分中微子流严重偏移，致使探测器难以捕 捉到。对此似可得出结论：中微子流有着自己的磁矩，既然有磁矩， 就应有静止质量。 在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过 客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发， 宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变 等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒 子之一，但由于它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用， 因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。被誉为中微子之父的泡利 与费密曾假设它没有静止质量。 1998 年 6 月 12 日，东京大学的一个国际研究小组在美国《科学》 杂志上发表报告说，他们利用一个巨大的地下水槽，证实了中微子有 静止质量。这一论断在世界科学界引起广泛关注。由日、美、韩三国 科学家组成的科研小组日前在此间宣布，他们在实验中观测到了 250 公里远处的质子加速器发出的中微子。这是人类首次在如此远的距离 内观测到人造粒子。 四、未来研究方向 从 19 世纪末的三大发现至今，已经过去了 100 年。在这一个世 纪，科学技术飞速发展，人类对自然有了进一步的认识。但是仍有许 多自然之谜等着人们去解决。其中牵动全局的问题是粒子物理的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。中微子 是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴 分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但 是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事？中微 子有没有磁矩？有没有右旋的中微子与左旋的反中微子？有没有重 中微子？太阳中微子有没有失踪？太阳中微子的强度有没有周期性 变化？太阳中微子失踪的原因是什么？有没有中微子振荡？宇宙背 景中微子怎样探测？它在暗物质中占什么地位？有没有中微子星？ 恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期 宇宙有什么奥秘？ 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的 重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意 义，在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为 了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发 展起来的实验技术和中间成果，使其转化成生产力造福人类，而中微 子本身也有可能在 21 世纪得到应用。 五、我国对中微子的研究 5.1 中微子实验 大亚湾中微子实验是中国基础科学领域目前最大的国际合作项 目，由中国、美国领导和俄罗斯、捷克及中国香港与台湾科学家共同 参与。其 2006 年立项，2007 年 10 月动工，2011 年年中逐步完成探 测器的建造与安装，同年 8 月开始近点取数、12 月下旬开始远近点 同时运行。整个实验建有总长 3 公里的隧道和 3 个地下实验大厅，3 个实验大厅共放置 8 台中微子探测器，每台探测器高 5 米、直径 5 米、 重 110 吨，均置于 10 米深的水池中。 5.2 中微子震荡的研究 大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中方首席科学家、中国科 学院高能物理研究所所长王贻芳研究员在 2012 年 3 月 8 日下午在北 京宣布：大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其 振荡几率。之后表示，利用中国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子， 寻找并精确测量到一种新的中微子振荡，这将使科学家对物质世界的 基本规律有新的认识，为未来进行下一代中微子实验以探索研究宇宙 中物质和反物质不对称性即破解“反物质消失之谜”，开启道路和奠 定科学基础。 由于科学意义重大，国际上先后有7个国家提出了8个实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ， 最终进入建设阶段的共有 3 个。中国科学院高能物理研究所的科研人 员 2003 年提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子， 来寻找中微子的第三种振荡，并提出了实验和探测器设计的总体方 案。由于这一方案具有独特的地理优势和独到的设计，得到了国际上 的广泛支持，目前汇集了来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、中国 香港和中国台湾等 6 个国家和地区的 200 多名科学家共同参与。 5.3 大亚湾中微子研究的成果 “大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它不仅使我们更 深入了解了中微子的基本特性，也决定了我们是否能够进行下一代中 微子实验，以了解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中‘反物 质消失之谜’。” 日前，大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式，这一科学成 果被美国《科学》杂志评选为 2012 年度十大科学突破，并 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 为“如 果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可 能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一 领域起飞的时刻。”对成为世界瞩目的年度科学突破，大亚湾中微子 实验首席科学家、中科院高能物理研究所所长王贻芳研究员告诉记 者，这应该是在意料之中，大亚湾中微子实验是我国基础科学领域最 大的国际合作项目，实验在 2003 年立项时其科学价值已得到国际同 行的公认。 今年 3 月 8 日，大亚湾中微子实验国际合作组宣布：大亚湾中微 子实验发现了一种新的中微子振荡，并精确测量到其振荡几率，即物 理学中的基本参数——中微子混合角θ13。介绍该结果的论文在 3 月 7 日送交美国物理评论快报发表。该发现是对自然界最基本的物理参 数的测量，被认为是对物质世界基本规律的新的认识。 王贻芳介绍说，大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它使我 们更深入了解了中微子的基本特性，也对未来中微子物理的发展方向 起着决定性作用。只有得到这一结果，才能设计下一代中微子实验， 如为不同种类的中微子质量排序，或测量中微子振荡中的宇称和电荷 对称性破坏，以理解宇宙中物质—反物质不对称现象，即宇宙中“反 物质消失之谜”。作为物理学 28 个最基本参数之一，这个参数的测量 结果对粒子物理学研究具有重要意义。 今年 10 月，大亚湾反应堆中微子实验站的全部 8 个中微子探测器 正式运行取数，标志着实验站的全面建成。实验站将持续运行 3—5 年，可把中微子混合角θ13 的测量精度提高到 4%左右。在未来至少 二三十年内，都很难再有实验超过大亚湾的测量精度。 六、中微子应用 其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面，加上表 面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。 而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产 生 10 亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美 洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制， 就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通讯联系，无需昂 贵而复杂的卫星或微波站。 应用之二是中微子地球断层扫描，即地层 CT。中微子与物质相 互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为一 万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生 局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层也进行勘探，将 地层一层一层地扫描。 参考资料 1． 美科学家称中微子束可发送信息穿透固体岩石． 2． 中国科学家谈“中微子超光速”:实验可能有漏洞——中新网． 3． 大亚湾发现新中微子振荡 中国朝诺奖或迈进一步-科技-人民网． 4． 中微子超光速实验结果再次验证结果仍不能信服——科技频道滚动新闻——人民网． 目录 一、中微子的发现 1.1构成物质世界最基本的粒子 1.2中微子 1.3中微子的观测 1.4中微子未解之谜 二、中微子的研究历程 2.1 放射性的研究奠定基础 2.2 泡利假说的提出 2.3 β衰变定量理论的提出 2.4 中微子探测 2.5历史年表 三、中微子研究的新进展 四、未来研究方向 五、我国对中微子的研究 5.1中微子实验 5.2中微子震荡的研究 5.3大亚湾中微子研究的成果 六、中微子应用 参考资料