我們的眼睛能看到中微子?其中隱含了怎樣的物理原理

太陽核心的核聚變反應每秒可以釋放10³⁸箇中微子,其中每秒有10²⁹箇中微子會穿過地球,就好像地球不存在一樣。同樣,每秒鐘也有300萬億個中微子從我們身體穿過去,而我們對此也毫無知覺。因此,中微子也被稱為幽靈粒子。有這麼多的中微子在我們身邊,那麼我們的眼睛能“看到”中微子嗎?

我們的眼睛能看到中微子?其中隱含了怎樣的物理原理

事實上,就你個人而言,看到中微子的機率非常低。但世界上有那麼多雙眼睛,根據科學家的計算,每小時大約有10個人可以看到中微子。為了瞭解其中的奧秘,我們要先理解中微子以及探測中微子的原理。

我們的眼睛能看到中微子?其中隱含了怎樣的物理原理

中微子的怪異之處

中微子是標準模型中最奇怪的粒子,也是我們瞭解最少的粒子。它們之所以奇怪有四個主要的原因。

首先,它們是唯一僅透過弱力與其它粒子相互作用的粒子。弱力之所以有這樣的名稱,是因為它的作用距離很短,只有非常靠近的粒子之間才能感覺到它。弱力的作用距離大約是10^-18米,比原子核要小1000倍。所以當中微子穿過我們的身體時,就好像它不存在一樣,因為對它來說,它就好像穿過一片空白的區域。嚴格來說,中微子也能感覺到引力,但它們的質量非常小,而且引力非常弱,所以我們基本上可以忽略引力的影響。

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第二,我們對中微子感到奇怪的地方還有,中微子的質量不知從何而來?許多粒子的質量都來自希格斯場,但中微子的質量並非如此。第三,當中微子在太空飛行時,它會從一種中微子自發地變成另一種中微子,這是標準模型中可以自發地變成另一種粒子的粒子。最後,我們只見過左手中微子或右手反中微子,而其它粒子都有左手和右手的粒子和反粒子。

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探測中微子

中微子是宇宙中最豐富的粒子,我們認為它的數量甚至比光子的數量還要多。儘管中微子的質量非常小,小於10^-37千克,但宇宙中所有中微子的質量之和與宇宙中所有恆星的質量差不多。總之,中微子很奇怪,我們不太瞭解它們,因為它們很少與任何物體相互作用。因此,為了嘗試理解中微子,我們在地下建造了大量巨型探測器,以探測罕見的碰撞。

中微子探測器位於地下深處,可以阻止其它粒子透過它。它就像一個大缸,裡面裝滿了超純水,周圍環繞著光電倍增管充當靈敏的相機。當中微子與液體中的一個電子發生碰撞時,電子會吸收中微子的能量並在液體中飛馳,發出一種稱為切倫科夫輻射的特殊光。在液體中,光的速度會變慢,而電子的速度會超光速,在這種情況下就會發出切倫科夫輻射。因此,有了這些大桶的液體,科學家可以看到零星的中微子撞擊,並且可以收集資料並試圖弄清中微子是如何工作的。

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眼睛中的閃光

如果你仔細想想,我們的眼睛也類似液體,而視網膜就像光電倍增管一樣對光敏感。那麼,如果一箇中微子撞擊眼睛中的電子,它還會產生切倫科夫輻射嗎?

雖然我們的眼睛比巨型中微子探測器小得多,但世界上有那麼多的眼睛。如果把這些眼睛收集起來,它可以填滿世界上最大的中微子探測器兩次。科學家曾經做過一個計算,中微子與你眼睛碰撞併產生閃光的可能性非常小,平均每89000年才會發生一次。但是如果把世界全部人口考慮進去,我們可以估計每小時平均有10個人會有中微子與眼睛碰撞產生閃光的情況。

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但是,你可能會想,這會很明顯嗎?我們的眼睛能察覺到嗎?事實上,在黑暗的環境下,我們的眼睛能感覺到的最低限度為10個光子,而中微子撞擊電子導致的切倫科夫輻射可以產生200個光子。因此,眼睛是可以察覺到的,但是需要嚴格的黑暗環境,一般情況下它總是被淹沒在環境光中。

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