[科普中國(guó)]-鬼粒子

鬼粒子，是中微子的別稱，因中微子難以捕捉的特性而得名。中微子是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號(hào)ν表示。中微子不帶電，自旋為1/2，質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬(wàn)分之一），以接近光速運(yùn)動(dòng)。

簡(jiǎn)介鬼粒子其實(shí)就是中微子。中微子體積微小，幾乎沒(méi)有質(zhì)量，它們無(wú)處不在。中微子是在“大爆炸”中創(chuàng)造出來(lái)的，也能在太陽(yáng)內(nèi)部和人體內(nèi)形成，科學(xué)家們認(rèn)為，每秒約有100萬(wàn)億個(gè)中微子通過(guò)人體，不過(guò)，對(duì)我們并沒(méi)有傷害。由于中微子的運(yùn)動(dòng)速度很快且體型很小，科學(xué)家們很難探測(cè)到其行蹤，從而對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)地研究，因此中微子也被稱為“鬼粒子”。

發(fā)現(xiàn)歷史大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)備1930年，奧地利物理學(xué)家泡利為了解釋貝塔衰變中能量不守恒現(xiàn)象，提出可能存在一種看不見(jiàn)摸不著的粒子，“偷走了”能量。這種粒子不帶電，沒(méi)有質(zhì)量，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此捕捉不到它。泡利因?yàn)轭A(yù)言了中微子存在，在以后獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1933年，這種粒子被意大利著名物理學(xué)家、1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主費(fèi)米正式命名為中微子。

1942年6月，美國(guó)物理學(xué)家艾倫根據(jù)王淦昌提出的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了中微子的存在，成為轟動(dòng)全球物理學(xué)界的大事件。

中微子的存在被證實(shí)后，科學(xué)家下一步的工作就是測(cè)量中微子與質(zhì)子相互作用引起的反應(yīng)，進(jìn)而直接探測(cè)中微子的活動(dòng)規(guī)律。由于這種粒子難以捕捉，直到1956年，科學(xué)家才在實(shí)驗(yàn)室中第一次觀測(cè)到這種神秘粒子。這項(xiàng)試驗(yàn)才由美國(guó)物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯完成。最終，在泡利提出中微子假說(shuō)以后的26年，人們第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人認(rèn)為中微子永遠(yuǎn)觀測(cè)不到的悲觀觀點(diǎn)。

1988年，美國(guó)科學(xué)家萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)第二種中微子——μ中微子而獲諾貝爾獎(jiǎng)。

1995年，美國(guó)科學(xué)家萊因斯，因?yàn)?956年在實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到中微子，而與τ子的發(fā)現(xiàn)者分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2002年，美國(guó)科學(xué)家戴維斯和日本科學(xué)家小柴昌俊因發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子失蹤現(xiàn)象以及觀測(cè)到超新星中微子而獲諾貝爾獎(jiǎng)。

結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)代粒子物理學(xué)，構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元是夸克和輕子。其中包括6種夸克和6種輕子。輕子包括3種帶電輕子：e(電子)、μ子、τ子，以及3種中微子即電子中微子、μ中微子、τ中微子。

在地球1平方厘米表面上，也就是指甲蓋大小，每秒就會(huì)落下約600億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子。每秒無(wú)數(shù)中微子穿過(guò)一個(gè)人身體，但不會(huì)發(fā)生作用。對(duì)它來(lái)說(shuō)，人基本上是空的。

性質(zhì)鬼粒子研究如果沒(méi)有中微子，太陽(yáng)不會(huì)發(fā)光，不會(huì)有比氫更復(fù)雜的原子，沒(méi)有碳、氧、水、空氣，沒(méi)有地球，沒(méi)有月亮，沒(méi)有人類，也沒(méi)有宇宙。中微子不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源和演化有關(guān)，例如宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱很有可能是由中微子造成的。

但中微子非常輕、不帶電、幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，難以捕捉，被稱為鬼粒子。在所有已知粒子中，中微子是最古怪的，總共有三種類型的中微子：（陶）子中微子、（繆）子中微子和電子中微子，理論推測(cè)，它們會(huì)隨周圍環(huán)境或由自身觸發(fā)在三種類型間不斷轉(zhuǎn)化，這被稱為“中微子震蕩”，但為何會(huì)震蕩，還是個(gè)未解之謎。

研究進(jìn)展中國(guó)2003年前后，國(guó)際上有7個(gè)國(guó)家提出了8個(gè)有關(guān)中微子震蕩的實(shí)驗(yàn)方案，最終進(jìn)入建設(shè)階段的共有3個(gè)：中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國(guó)的DoubleChooz實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國(guó)的DoubleChooz實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。

2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳在北京宣布，合作組發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩即第三種振蕩模式。這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)全球科學(xué)界。

美國(guó)美國(guó)中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器2014年，全球距離最遠(yuǎn)的中微子實(shí)驗(yàn)在美國(guó)啟動(dòng)，旨在研究自然界中最飄忽的亞原子粒子之一—中微子，研究結(jié)論或許有助于我們更好地解釋宇宙形成的奧秘。這臺(tái)名為“Nova”的設(shè)備由兩臺(tái)相距800公里的大型探測(cè)器組成，將生成世界上功能最強(qiáng)大的中微子束，可用來(lái)探究自然界最難以捉摸的亞原子粒子之一?？茖W(xué)家們認(rèn)為，更好地理解中微子，將有助于我們進(jìn)一步厘清宇宙的形成和演化進(jìn)程。位于美國(guó)芝加哥附近的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室將發(fā)射世界上最長(zhǎng)、最強(qiáng)大的中微子束。“Nova”探測(cè)器將利用這種中微子束來(lái)記錄中微子的證據(jù)鏈。

在接下來(lái)的6年時(shí)間里，費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將以中微子束的形式，朝著這兩臺(tái)探測(cè)器，每秒發(fā)送數(shù)萬(wàn)億中微子?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這兩臺(tái)探測(cè)器，每天或許只能捕獲很少的中微子，因?yàn)橹形⒆有愿窆缕В瑤缀醪慌c物質(zhì)相互作用?？茖W(xué)家們有望從這些數(shù)據(jù)中獲得更多與中微子為何會(huì)發(fā)生震蕩以及如何震蕩的線索。

法捷耶夫-波波夫鬼粒子在物理學(xué)中，法捷耶夫-波波夫鬼粒子（Faddeev–Popov ghost），是一種為了保持路徑積分表述的一致性而引入規(guī)范量子場(chǎng)論的附加場(chǎng)，以路德維希·法捷耶夫和維克多·波波夫的名字命名。1

法捷耶夫-波波夫鬼粒子之所以是必須要引入的，是因?yàn)樵诼窂椒e分表述中，量子場(chǎng)論必須給出明確、非奇異的解，而由于規(guī)范對(duì)稱性的存在，我們無(wú)法從大量的因規(guī)范變換而相關(guān)的物理上等價(jià)的不同解挑選出唯一的解。這個(gè)問(wèn)題起源于路徑積分重復(fù)考慮的規(guī)范對(duì)稱相關(guān)的場(chǎng)組態(tài)，這些其實(shí)對(duì)應(yīng)于相同的物理態(tài)；路徑積分的測(cè)度包含一個(gè)系數(shù)，其不允許我們直接用一般的方法（例如費(fèi)恩曼圖方法）從原始的作用量得到各種結(jié)果。但是，如果我們修改原始作用量，添加進(jìn)去一個(gè)額外的場(chǎng)，打破規(guī)范對(duì)稱性，那么一般方法就可以使用了。這種場(chǎng)就叫做鬼場(chǎng)。這一方法被稱作“法捷耶夫-波波夫方法”（見(jiàn)BRST量子化）。這種鬼場(chǎng)只是一種計(jì)算工具，對(duì)外部來(lái)說(shuō)并不對(duì)應(yīng)于任何一種實(shí)際粒子：鬼粒子在費(fèi)恩曼圖中只作為虛粒子出現(xiàn)——或者說(shuō)，只對(duì)應(yīng)于某些規(guī)范組態(tài)的缺失。但是它對(duì)于維持幺正性是至關(guān)重要的。

描述鬼粒子的公式和其具體形式與所選擇的具體規(guī)范有關(guān)，但對(duì)于所有規(guī)范得到的實(shí)際結(jié)果是相同的。費(fèi)恩曼-胡夫特規(guī)范是用于這個(gè)目的時(shí)最簡(jiǎn)單的規(guī)范，所以在這篇文章中我們都采用這種規(guī)范。

參見(jiàn)物理學(xué)主題

BRST量子化

量子場(chǎng)論

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所