迄今人類所發現的基本粒子中最輕的是哪個呢?
有人說是光子和膠子,因為它們的靜質量為零。不錯,不過光子和膠子都屬於作用力粒子。最輕的物質粒子要數中微子。
20世紀30年代,人們發現鈾和鐳衰變前後的能量不相等,說明有一部分能量丟失了。奧地利物理學家泡利為了解釋這一現象,認為在衰變過程中原子核除發射β射線外,還伴有一種我們不知道的其他粒子。他推測這種粒子本身不帶電,質量幾乎為零,速度跟光一樣快,就是它從衰變中帶走了能量。人們根據泡利的推測,給這種粒子起名為“中微子”。
1938年,德國物理學家貝特和韋紮克各自獨立提出了恒星能量產生的理論,認為在恒星及太陽內部發生著氫聚合成氦的原子核反應,釋放出巨大的能量,同時還會產生大量光子和中微子。
要檢驗這一理論,最好的辦法就是計算太陽發出的中微子數量。雖然太陽內部產生的光子很容易發生轉換和擴散,但是中微子的數量則不會有變化。
不過,盡管每時每刻都有數萬萬億個中微子飛過地球,但由於它穿透力很強,幾乎不與任何物質發生相互作用,科學家無法用傳統的探測器“捕捉”到它。
美國科學家戴維斯想到一個好辦法,他在地下1500m深的礦洞裏安裝了一個儲有615噸四氯乙烯溶液的大罐子,因為四氯乙烯中的氯原子受到中微子撞擊後會變成放射性氬原子,同時發出微弱的熒光。利用這種方法,戴維斯在1968年首次推算出來自太陽的中微子數量。結果卻令人失望,因為實際測得的數量隻有理論預言的1/3,令科學家百思不解,成為轟動一時的中微子失蹤之謎。
1989年,歐洲核子研究中心的科學家通過實驗發現,中微子原來有3種類型,即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。1998年,以小柴昌俊為首的日本超級神岡實驗室科學家發現,宇宙射線在地球大氣上層所產生的μ子中微子會變成了τ子中微子。2001年,加拿大薩德伯裏中微子觀測站的研究人員證實,來自太陽的電子中微子有2/3在前往地球的途中轉變成其他類型的中微子,解開了長達30年的太陽中微子失蹤之謎。戴維斯與小柴昌俊等人因此獲得2002年獲諾貝爾物理學獎。
目前已測得的電子中微子的質量為10-33g,約為電子質量的百萬分之一。雖然中微子的質量很小,但科學家推測,它在宇宙中的總質量約占全部宇宙質量的0.3%~21%,而宇宙中全部氣體、塵埃和恒星的總質量隻占4%。中微子很可能是宇宙暗物質的一種,而且它還可能與宇宙中物質與反物質的不對稱有關。人們希望通過對中微子的研究,解開宇宙的起源與演化之迷。