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事实上,这种情况在吃饭时有,睡觉时有,坐地铁时有,躲进地下室里仍然有。白天太阳在头顶时有,半夜太阳跑到地球另一边时同样有。我们生活的世界,看起来似乎由桌子、空气、人体和建筑物组成,但从粒子物理学的视角看,地球其实始终处在一场看不见的粒子雨中。
那么,这么多粒子天天穿过身体,人为什么感觉不到?它们从哪里来?会不会伤害人体?
我们常说的宇宙射线,主要是从太空高速飞来的带电高能粒子。抵达地球的原初宇宙射线大约89%是质子,也就是氢原子核,约10%是氦核,还有约1%是更重的原子核。
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中微子则完全不同,它们是一种基本粒子,不带电,质量极小,与普通物质之间的相互作用弱得惊人,所以才有了一个非常形象的外号——幽灵粒子。而我们身体里每秒穿过数量最多的宇宙粒子,恰恰就是中微子。
费米实验室和IceCube给出的常见估算都是,每秒大约有100万亿个中微子穿过人体,它们中的绝大部分来自太阳内部的核聚变反应。太阳核心每时每刻都在把氢转化成氦,这个过程不仅释放出最终让地球获得光和热的能量,同时也会产生数量惊人的中微子。
这些中微子一旦产生,几乎可以直接从太阳核心穿出来。光子就没有这种穿透能力了,太阳核心产生的光子会不断被物质吸收、散射,再重新发射,要经过复杂的能量传递过程才能最终抵达太阳表面,这需要耗时1万至17万年。而中微子却像穿墙而过一样,迅速离开太阳内部,然后接近光速飞向宇宙。
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到了夜晚,中微子也不会消失。此时太阳虽然位于地球另一侧,但大量太阳中微子会先穿过数千乃至上万公里的地球,再穿过人的身体,然后继续飞向太空。对它们来说,整个地球在很大程度上都像近乎透明的一样。
每秒100万亿个中微子,这么多高能粒子天天从身体里面穿过去,真的没有问题吗?
关键不在粒子数量的多少,而在于粒子究竟有多容易和人体发生作用。中微子几乎是自然界最不会与普通物质相互作用的粒子之一。中微子没有电荷,所以不会像电子、质子那样频繁发生电磁相互作用。中微子主要通过弱相互作用与其他粒子发生反应,而这种反应概率非常低。
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所以100万亿个中微子穿过人的身体,绝大多数就像身体根本不存在一样,直接飞过去了。据估计,在一个人整个一生中,真正与身体里的粒子发生相互作用的中微子可能也就是个位数量级。
所以,“每秒100万亿个”听起来十分惊人,却并不意味着存在100万亿次辐射损伤。
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中微子本身看不见,但极少数中微子偶尔会与冰中的原子核发生相互作用,产生高速带电粒子。当这些带电粒子在冰中运动速度超过光在冰中的传播速度时,就会出现切伦科夫辐射,产生极其微弱的蓝色闪光。探测器记录这些光,再根据亮度、形状和到达时间反推中微子的能量和方向。
所以,研究中微子往往需要造得极其巨大。如果探测器只有一个杯子那么大,科学家恐怕等到天荒地老也未必等得到一次有用事件。只有把探测体积扩大到湖泊、山体甚至1立方公里冰层的尺度,才有机会从庞大的中微子洪流里抓住极少数信号。
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研究中微子的意义重大。光会被尘埃挡住,带电的宇宙射线会被星际磁场改变方向,中微子却能够从极其致密、极其剧烈的天体环境中直接逃出来,然后几乎沿直线飞行数百万乃至数十亿光年。
因此,如果科学家能够知道一个高能中微子来自哪里,就有机会窥见黑洞附近、恒星爆炸以及各种宇宙高能加速器最深处发生了什么。近年来,冰立方已经把高能中微子与一些极端天体联系起来,相关研究甚至正在尝试追踪活动星系核中心超大质量黑洞附近产生的高能中微子。
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