迄今人类所发现的基本粒子中最轻的是哪个呢?
有人说是光子和胶子,因为它们的静质量为零。不错,不过光子和胶子都属于作用力粒子。最轻的物质粒子要数中微子。
20世纪30年代,人们发现铀和镭衰变前后的能量不相等,说明有一部分能量丢失了。奥地利物理学家泡利为了解释这一现象,认为在衰变过程中原子核除发射β射线外,还伴有一种我们不知道的其他粒子。他推测这种粒子本身不带电,质量几乎为零,速度跟光一样快,就是它从衰变中带走了能量。人们根据泡利的推测,给这种粒子起名为“中微子”。
1938年,德国物理学家贝特和韦扎克各自独立提出了恒星能量产生的理论,认为在恒星及太阳内部发生着氢聚合成氦的原子核反应,释放出巨大的能量,同时还会产生大量光子和中微子。
要检验这一理论,最好的办法就是计算太阳发出的中微子数量。虽然太阳内部产生的光子很容易发生转换和扩散,但是中微子的数量则不会有变化。
不过,尽管每时每刻都有数万万亿个中微子飞过地球,但由于它穿透力很强,几乎不与任何物质发生相互作用,科学家无法用传统的探测器“捕捉”到它。
美国科学家戴维斯想到一个好办法,他在地下1500m深的矿洞里安装了一个储有615吨四氯乙烯溶液的大罐子,因为四氯乙烯中的氯原子受到中微子撞击后会变成放射性氩原子,同时发出微弱的荧光。利用这种方法,戴维斯在1968年首次推算出来自太阳的中微子数量。结果却令人失望,因为实际测得的数量只有理论预言的1/3,令科学家百思不解,成为轰动一时的中微子失踪之谜。
1989年,欧洲核子研究中心的科学家通过实验发现,中微子原来有3种类型,即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。1998年,以小柴昌俊为首的日本超级神冈实验室科学家发现,宇宙射线在地球大气上层所产生的μ子中微子会变成了τ子中微子。2001年,加拿大萨德伯里中微子观测站的研究人员证实,来自太阳的电子中微子有2/3在前往地球的途中转变成其他类型的中微子,解开了长达30年的太阳中微子失踪之谜。戴维斯与小柴昌俊等人因此获得2002年获诺贝尔物理学奖。
目前已测得的电子中微子的质量为10-33g,约为电子质量的百万分之一。虽然中微子的质量很小,但科学家推测,它在宇宙中的总质量约占全部宇宙质量的0.3%~21%,而宇宙中全部气体、尘埃和恒星的总质量只占4%。中微子很可能是宇宙暗物质的一种,而且它还可能与宇宙中物质与反物质的不对称有关。人们希望通过对中微子的研究,解开宇宙的起源与演化之迷。