中子和質子的夸克有何不同，中微子衰變意味著什麼？

作者：文/虞子期

對於科學元素的轉變而言，科學家們最狂熱的夢想之一，就是將一個普通元素轉化為另一種元素。而通過事實證明：在大自然界中，雖然我們人類沒有給予任何的幫助，但是自然元素的化學變化也是存在的，也就是存在正發生著將一個元素衰變轉變為另一個元素的情況，這樣的現象被稱為放射性的「天然鍊金術」。物理學家們研究了一些相對更罕見的「衰變」，雖然可能會超出我們的認知，但卻可以得到一些最基本的物理學內容。

一個難以捉摸的放射性衰變

在所有放射性衰變中，有一個被稱為中微子雙β衰變，物理學家都希望可以找到這個難以捉摸的它。因為，它可以說明放射性元素只是吐出了兩個電子，並沒有其他任何東西，這其中自然不包括無電荷，以及沒有被稱為中微子的粒子等物質。當這樣的衰變在我們的現實生活中呈現，那麼這也將和物理學的基本原則之一相駁。與此同時，也會推動尋找新物質的競賽。

這是一個最長的實驗之一，通過它的結果顯示並沒有這個出現這個過程的暗示，這對於中微子雙β衰變的粉絲而言，可能不是一個好消息。物理學家們現在可以做的，大概也只有保持手指交叉，然後繼續挖掘其中的答案吧。這一個特殊的過程就像獨角獸一樣稀缺，因為其本身的罕見性，想要捕獲這個過程的難度也就可想而知。

中微子雙β衰變的重要性

只有跟著時間的線索進行追溯，我們才可以了解中微子雙β衰變的重要性。當時間回到19世紀末，能夠知道放射性衰變最初是什麼：Ernest Rutherford（歐內斯特·盧瑟福）發現了α，β和γ，這是三種不同的衰變，但它們之中的每一個都導致了不同類型的能量發射。這三種衰變中的「β射線」是最特別的，因為它在停止之前就足以穿過一些金屬板。經過後來的實驗證明，這些射線的本質其實就是電子。這也是為什麼像銫這樣的化學元素也正在發生變化，希望將自身轉化為如鋇一樣的其他元素，並且在這個過程中吐出電子。

在我們弄清楚質子和中子的微小粒子是什麼元素之後，質子的構成、中子的構成，以及夸克這樣更微小的粒子，它們的實體是怎麼和每個元素互動，其他強弱核力量的內部原子答案不會再持續數十年之久。因為偶然的發現，物理學家們了解到中子也可以在某一天成為一個質子，並且在這個過程中發射了一個電子，也就是曾命名的β射線。你是什麼樣的元素，取決於質子的數量，而中子變為質子就說明了我們可以神奇般的將目標元素成功轉化為其他元素。

中子和質子的夸克有何不同

中子的內部結構由被稱為夸克的較小字元組成，想要實現元素的轉變，首先需要改變中子的內部結構。質子和中子結構內部的夸克是有所不同的，中子有一個「向上」夸克和兩個「向下」夸克；質子有反向，一個夸克「向下」、一對夸克「向上」。因此，我們只有利用宇宙中的弱核力，並沿途通過β輻射將這些夸克中的一種從下向上翻轉，然後實現一種元素到另一種元素的轉換。

雖然在整個過程中都是這些微弱的力量在發揮作用，但所涉及的所有物理反應都是平衡的。我們可以用電荷作為示例，從單個中性中子開始，到最後得到一個帶正電的質子。這本身就是一個禁忌，所以需要去平衡帶負電的電子。同時，輕子的總數也必須保持同樣的數量，這便是另一個需要平衡的行為。「輕子數守恆」是這種平衡的專有術語，而Lepton則只是一些最微小的粒子（如電子）的奇特名稱。什麼是平衡？一個新的粒子在反應中產生，被視為負面的反中微子平衡了這一切。

中微子雙β衰變描述內部過程

是否存在一種不需要中微子的β衰變？雖然兩次β衰變同時發生比較罕見，但這並不是一個有趣的結果，因為這個過程中吐出了兩個反中微子和兩個電子。如果雙β衰變沒有中微子的發出，那便可說明反中微子和中微子本身就是完全相同的。在中微子做出逃逸反應之前，它們會和自身相互作用。所以，想要在這樣的衰變事件中描述確切的內部過程是非常困難的。之所以這樣的研究可以讓人感到興奮，正是因為其違反了輕質數守恆，這樣的反應只產生了兩個電子，破壞了已知物理學的認知。當然，即使這樣的過程在自然界中是存在的，那它也必定是難得一遇的。

無處不在的中微子仍然是一個謎

物理學家Karsten Heeger說，在宇宙之中存在的中微子平均會比質子多出10億倍，並且新的中微子也在不停的被創造。這其中包括：原子反應堆中、地球上的粒子加速器中、恆星的核心、超新星的爆炸性崩潰期間，以及放射性元素衰變時。從本質上而言，中微子其實就是各種核過程中所產生的亞原子粒子（小中性的），它們具有沒有帶電的事實。雖然宇宙具有四種基本力，但中微子也只會和雙重力、弱力之間相互作用，它們幾乎沒有質量，總是以接近光的速度穿過宇宙，這也是原子放射性衰變造成的根本原因。

對物理學家而言，中微子至今仍然是一個讓人難以揣摩的謎，雖然它看似無處不在，這些粒子卻難以被儀器捕獲。就像此刻，你身體的每平方厘米都有1000億中微子穿過，但你卻並沒有感受到有任何異常。2011年，研究人員宣布他們檢測到中微子的行進速度超過光速 ，這在當時引起了全世界的轟動，並受到了科學家的極大懷疑。只過了不到一年的時間，中微子又回到了宇宙守法粒子的領域：物理學家意識到，正是因為一個錯誤的布線，所以才模仿了一個快於光的發現。

最近，費米實驗室的研究人員證明已經發現了一種新的中微子，並且提供了令人信服的證據，新的發現被稱為無菌中微子。這個發現同時也印證了LSND（液體閃爍體中微子探測器，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行）的早期異常現象，這個框架解釋了除重力之外的幾乎所有已知粒子和力。關於中微子的更多研究，還需要物理學家們繼續在這個領域探尋，不管是變化還是不變，都會為中微子的探索史提供更可信的參考。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！