封面图片展示了一个中微子事件，通过光电倍增管探测的切伦科夫辐射环，这就是现在中微子天文学的新高度
Credit: SUPER KAMIOKANDE COLLABORATION
科学实验常常伴随失败，很多精心设计和建造的科研工程都以失败终结，这听上去非常沮丧，但科研确实没有那么容易，我们是在不断试错中进步的！然而，有些实验虽然没能达到设计初衷，但却意想不到的收获了其他成果。1987年，一个精心设计并建造的科研工程本来是为了探测质子衰变，但却探测到银河系外的一次超新星爆发，从而诞生了中微子天文学。
中子转变成质子、电子和反电子中微子
Credit: JOEL HOLDSWORTH
中微子是理论物理学的一个重要成功案例。回到20世纪初，科学家已经发现了3种衰变：
在物理学定律下，初始反应物的能量和动能必须与反应变化后的相匹配。α衰变和γ衰变都符合，但β衰变貌似有能量损失，能量去哪里了？
气雾室试验，可以直接观测到粒子射线，但无法观测到中微子
Credit: THE SCOTTISH SCIENCE & TECHNOLOGY ROADSHOW
1930年，理论物理学家泡利提出一个设想，一个新粒子中微子，它是一个非常小、中性的但具有能量和动能，它不吸收也不发射光，仅仅与原子核发生相互作用，因此非常难被探测。泡利当时也很无奈，他表示：“他提出了一个几乎不能被探测的假想粒子”，但后来，科学家还是探测到了中微子！
RA-6反应堆核试验研究切伦科夫辐射，类似于1956年发现中微子(更准确说是反中微子)的反应堆
Credit: CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO
1956年，在一个核反应堆探测到了中微子(更准确说是反中微子)。中微子与原子核相互作用有两个结果：
就像桌球撞击一样，要不分散开，要不弹回；
或是引发放射一种新的粒子
因此，我们是能够建造特殊的探测器探测这种相互作用。这就是1956年科学家在核反应堆的边缘设置探测器，并成功探测到中微子与原子核的相互作用。因此，泡利是正确的，如果将中微子考虑进来，前后能量匹配。
β衰变示意图
Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD
理论上，核反应中会有中微子，比如太阳、其他恒星和超新星爆炸，以及高能宇宙射线与地球大气作用也会产生。60年代，物理学家成功建造设备并探测到这些中微子。这些设备都装有大量物质，提供充足的原子核，并安装了特殊探测器来探测中微子与原子核的相互作用。为了避免其他射线的干扰，这些设备通常在地底下，仅有中微子能够穿透。
霍姆斯特克金矿最早在123年前运营，1968年，首个探测到来自太阳中微子的实验就是在这里进行的
Credit: Jean-Marc Giboux/Liaison
这些中微子探测技术和高能加速器的研发也为了探索另外一个现象：质子衰变。粒子物理学标准模型预测质子绝对稳定，但在一些理论如大统一理论，质子也可以衰变成更轻的粒子。理论上，如果质子衰变，它能够发射出高速的低质量粒子。
高能粒子能够与其他粒子碰撞产生的新粒子，通过探测分析能量和动能等，能够了解初始或新生粒子
Credit: FERMILAB
如果质子衰变，它的生命周期一定非常长。宇宙年龄10的10次方数量级，而质子的寿命还要长很多。它能有多长寿？如果我们看一个质子，那我们几乎看不到它衰变，那就让我们观测大量质子！如果一个质子的寿命是10的30次方年，我们可以研究10的30次方个质子观测1年，这样就可以探测到质子衰变。一升水有10的25次方个分子，每个分子有2个氢原子(一个电子围绕一个质子)，如果质子不稳定，足够大量的水，足够强大的探测器应该能够探测到这种衰变。
80年代神冈设备模型，水箱深15米
Credit: ©JNN / WIKIMEDIA COMMONS
1982年，日本神冈探测器就是基于上述理论建造的，它装有3000吨水，周围有上千个特制探测器。一直到1987年，这个探测器没有探测到一次质子衰变，也就是10的33次方质子，这么几年没有探测到一次衰变，基本可以否定了大统一理论。也就是质子貌似是稳定的！
超新星爆炸
Credit: ESO / L. CALÇADA
但神冈探测器发现了意想不到的超新星爆发的中微子。1987年2月23日，在银河系外的165000年前的一次超新星爆炸，它的光来到了地球。在光线到达的几小时前，神冈探测器在一段13秒时间内探测到了12个中微子。其中有两个峰，第一次9个中微子，后一次3个中微子。因此，超新星爆照会产生非常多的中微子。
这是人类第一次探测到如此遥远的中微子，开启了中微子天文学。接下来几天，地基和空间望远镜都证实了这一次超新星爆炸。我们知道了以下中微子特性：
这些中微子以近似光速飞驰了165000光年
它们的质量不超过电子的1/30000
中微子不会像光那样从崩塌核心到光球层出现减速
30多年后的今天，我们已经能够深入研究超新星遗迹，研究它的演化。
1987超新星爆发后的遗迹
Credit: NASA
神冈探测器就是这样开启了中微子天文学，就如同引力波天文学，我们扩展了研究手段，不只依赖于常规的光“信使”。自神冈探测器之后，很多国家建立了更强大的中微子探测器。如果现在银河系有超新星爆发的射线到达地球，我们可以探测到上万个中微子！
来源：牧夫天文
编辑：雾里熊
发表于 2018-7-27 05:38
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