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这些粒子瞬间出现又瞬间消失,100年前我们甚至都还忽略了它们,但事实证明,它们对于理解控制物质的法则至关重要。
在大爆炸之后的极端条件下,就是它们充满了初生的宇宙。
在实验室研究它们,就可以知道宇宙诞生之初发生了什么,以及在形成今天这些稳定物质之前它们又经历了哪些转变。
最重要的是,这个不稳定而瞬息万变的世界,让我们掌握了物质基本粒子的深层对称。
如果没有这些“鬼魂”
的帮助,科学家就会像哈姆雷特一样,永远无法明白究竟发生了什么。
渺子勇猛的一生
渺子和电子一样是带电粒子,所以会受到电磁场的影响,但是,由于它的质量大约是电子的200倍,因此其加速度要比电子慢得多,也很少放出光子。
渺子比电子更能穿透物质,穿透性仅次于不带电、只和物质有弱相互作用的中微子。
渺子可以不受阻碍地穿透几千米厚的致密岩层,要想截获它们总是很难。
渺子穿透力的限制之一是它的不稳定性——它会衰变成电子和中微子。
因为使其衰变的是弱相互作用,所以渺子的平均寿命相对较长,有2.2微秒(1微秒等于百万分之一秒)。
这看似很短,但相对于其他不稳定粒子来说可算是长命百岁了。
当它们以接近光速的速度运动时,就会变得所向披靡,也大有用途。
由于渺子的质量大约相当于0.1GeV,所以加速到接近光速相对容易,这时,其平均寿命也会大幅增加。
最常见的近光速渺子来自宇宙射线,能几乎不受阻碍地穿过我们,就像看不见的细雨从四面八方而来。
它们由高能质子产生,这些质子走过宇宙深空,与离地面15到20千米的大气层外层中的原子撞击而产生这些渺子。
不过,若没有很强的相对论效应,这些渺子也绝不可能到达地面,就算以最高速度(光速)运动,它们也跑不过700米。
但是,我们在海平面甚至地下深处的洞穴中却能探测到稳定的渺子流。
这是对狭义相对论的又一有力印证。
高层大气中产生的渺子中,有将近一半以99.9%以上的光速运动,因此,它们的寿命是其平均寿命的25倍,可以毫无问题地穿过16千米以上的大气层。
通常在它们的参照系中,时间不会改变,衰变还是按照2.2微秒的平均寿命规律地进行,但对于从外部观察的我们来说,它们的存在时间被拉长了。
这就是为什么就算我们在沙滩上晒太阳,或在日内瓦附近地下100米进行紧凑渺子线圈(uonSolenoid,缩写为CMS)(3)实验的洞穴里工作,也会有一部分渺子能来到我们身边。
我们可以想象乘着渺子飞翔,就像斯坦利·库布里克的电影《奇爱博士》中“金刚”
少校乘着核弹一样,但我们要做好被这种情况下会发生的种种异象吓到的准备。
现代粒子加速器中碰撞产生的渺子可达到几千GeV的能量级,相对论性的时间拉伸导致其平均寿命明显延长。
LHC能产生1TeV能量级的渺子,其平均寿命约为150秒,这意味着如果方向合适,渺子可以畅通无阻地穿过整个地球,出现在新西兰附近的南太平洋地区。
渺子中的能量冠军由最强宇宙射线产生,能量级可达到LHC渺子的100倍,它们可以存活几秒。
宇宙射线渺子的穿透力有意想不到的用处。
几年前,报纸刊登过埃及胡夫金字塔内发现密室的新闻。
这一消息引起了轰动,特别是其中寻找密室的技术,不靠印第安纳·琼斯式的冒险,也不靠走密道,考古学家和科学家运用了渺子成像技术,也就是利用穿过金字塔的渺子流来给金字塔拍片,就好像我们在医院里使X射线穿过我们身体进行CT扫描一样。
如果被穿过的物体不均质、有空洞而导致局部密度较小,那渺子与这部分的相互作用也少,这样就可以按粒子流的变化形成一个图像。
用来扫描金字塔内部的这项技术也被用于其他研究,比如给大型火山的岩浆室成像。
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