Theories of Neutrino Masses and Mixings

中微子的振荡实验和理论

中微子的振荡实验和理论 华南师范大学物理与电信工程学院物理学勷勤创新班 作者：黄慧敏蔡莹邱小欢麦展风 摘要：，本文主要通过对中微子振荡实验及其理论的阐述，加深对中微子以及中微子振荡的认识,以及阐述对中微子振动实验发展的展望 关键词：中微子振荡 MSN效应质量差 Abstract：This article states the theory and the experiment of neutrino oscillation for illustrating the current situation and expectation of development of the nertrino oscillation’s experiment . Key word:neutrino oscillation .MSN reaction.mess diffirence. 1、引言 大亚湾中微子实验宣布发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率，这一实验结果不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，更为未来进行中微子实验破解“反物质消失之谜”奠定科学基础。 1998年在日本Takayama召开的的世界中微子大会上，日本物理学家宣布他们的超神冈国际合作组发现了大气中微子震荡，成为了物理学界的头号新闻。 粒子物理学经典模型认为，中微子的质量为零，在相互作用中轻子数守恒，中微子不会从一种类型转变成另外一种类型。现在超神冈实验组发现了中微子振荡，这表明了中微子具有质量，中微子可以从μ中微子转变成其他类型的中微子，轻子数也随之不守恒，这推动了物理学的进一步发展。 1930年，为了解释核的β衰变中电子的能力是一个连续谱，泡利引入了中微子这种新型粒子，但人们一直没能从实验中验证中微子的存在。1941年，我国著名物理学家王淦昌先生建议利用原子核的K电子俘获测原子核的反冲能量来证明中微子的存在。历经10年，于1952年此实验获得成功，证明了中微子是一个客观存在的粒子。 中微子，顾名思义，是固有质量极其微小的中性粒子。由于难以探测，我们对中微子的了解非常有限，至今还存在大量未解之谜。中微子有3种类型：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子，这三种中微子两两之间转换，可以有三种振荡模式。其中太阳中微子振荡称之为theta12振荡，大气中微子为theta23振荡。

超光速

超光速 在课本上，都说光是宇宙中速度最快的物体。光每秒可达到299792458米。这在爱因斯坦的广义相对论中也提出过，在许多人看来，这都是毋庸置疑的。 可也有许多人提出了新的观点，而我也是当中的一员。当我看过霍金的时间简史之后，便觉得光速也未必是不可超越的。首先这个观点要从黑洞洞提起，黑洞的引力可以撕裂一切外来物质，包括光，因此它像一部天然的时间机器，照成了时空扭曲。而虫洞位于黑洞与白洞之间，当你进入黑洞，从白洞出来，这就完成了时空旅行，这时就超过了光速。虫洞也可以自己制造，所以它是弯曲时空中连接两个地点的捷径，从A地穿过虫洞到达B地所需要的时间比光线从A地沿正常路径传播到B地所需要的时间还要短。虫洞是经典广义相对论的推论，但创造一个虫洞需要改变时空的拓扑结构。这在量子引力论中是可能的。不过要想真的证明它，还需继续探索。 我再提出几种超光速现象。 月亮是我们最熟悉的天体，可它也围绕地球超光速旋转。当月亮在地平线上的时候，假定我们以每秒半周的速度转圈儿，因为月亮离我们385,000公里，月亮相对于我们的旋转速度是每秒121万公里，大约是光速的四倍多！这听起来相当荒谬，因为实际上是我们自己在旋转，却说是月亮绕这我们转。但是根据广义相对论，包括旋转坐标系在内的任何坐标系都是可用的，这难道不是月亮以超光速在运动吗？ 接着还有我们熟悉的星系。朝我们运动的星系的视速度有可能超过光速。这是一种假象，因为没有修正从星系到我们的时间的减少。举一个例子：假如我们测量一个目前离我们10光年的星系，它的运动速度为2/3 c。现在测量，测出的距离却是30光年，因为它当时发出的光到时，星系恰到达10光年处年后，星系到了8光年处，那末视距离为8光年的3倍，即24光年。结果，3年中，视距离减小了6光年…… 我再提出一种超光速的现象；无限大的能量。E = mc^2/sqrt(1 - v^2/c^2)。上述公式是静止质量为m的粒子以速度v运动时所具有的能量。很显然，速度越高能量越大。因此要使粒子加速必须要对它做功做的功等于粒子能量的增加。注意当v趋近于c 时，能量趋于无穷大，因此以通常加速的方式使粒子达到光速是不可能的，更不用说超光速了。但是这并没有排除以其他方式使粒子超光速的可能性。粒子可以衰变成其他粒子，包括以光速运动的光子（光子的静止质量为零，因此虽以光速运动，其能量也可以是有限值，上述公式对光子无效）。衰变过程的细节无法用经典物理学来描述，因此我们无法否定通过衰变产生超光速粒子的可能性。另一种可能性是速度始终高于光速的粒子。既然有始终以光速运动的光子，有始终以低于光速的速度运动的粒子，为什么不会有始终以高于光速的速度运动的粒子呢？ 祖父悖论。我先解释下这四个字；如果时间旅行是可能的，你就可以回到过去杀死你自己的祖父，而你当时并没有出生，究竟是谁杀死祖父呢？这是对超光速强有力的反驳。但是它不能排除这种可能性，即我们可能作有限的超光速旅行但不能回到过去。另一种可能是当我们作超光速旅行时，因果性以某种一致的方式遭到破坏。总而言之，时间旅行和超光速旅行不完全相同但有联系。如果我们能回到过去，我们大体上也能实现超光速旅行。 超光速看似不可能，却又有可能，总有一天我们会探索出超光速那神奇而又美丽的面纱。

中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义

中微子的发现的过程及其在现代物理学中的意义 (1)中微子的提出 要追溯中微子发现的经过，还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起.当时科学家们发现，在量子世界中能量的吸收和发射是不连续的.不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的.这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的.奇怪的是，物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了. 瑞士物理学家泡利在1931年最先假设有种新粒子“窃走了”能量.在1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的.1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”. 1933年意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用——弱相互作用.β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子.他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律，β能谱连续之谜终于解开了.如果中微子有引力质量，那么根据Einstein 的质能方程，必须把能量E*的一部分用来产生中微子，这样留给电子的能量就比E*小.泡利推算出中微子是没有质量的观点是错误的，由于中微子的引力质量非常小，因此在埃利斯的实验中发现电子也偶尔确实会有能量为E*的情况.泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子.就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的. (2)中微子的发现 在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验.1941年王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上.1942年6月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是当年世界物理学界的一件大事.但当时的实验不是非常成功，直到1952年艾伦与罗德巴克合作，才

中微子的发现

中微子的发现 背景 从运动学理论可以知道，当一个粒子衰变为两个粒子时，动量和动能守恒，末态粒子的能量应为确定值。而1914年，查德威克在实验中发现β衰变中放出的电子的能谱为连续谱，这意味着电子有各种不同的能量。这是什么原因呢？ 对查德威克发现的现象，梅特纳认为：原子发射的电子能量都具有观察到的最大值，最终观察到的是电子经过别的过程损失一定能量后的次级电子。艾利斯(C.D.Ellis)和伍斯特(W.A.Wooster)设计了一个实验，运用一个量能器把所有产生的粒子收集起来，即使初级电子的能量被次级过程重新分配，也能从收集到的总能量算出每次β衰变放出的平均能量，它应当等于观察到的电子能谱极大值。可是，1927年他们的实验结果表明，量能器得到的只是最后射出的电子能量，其平均值与连续谱相符，而看不到次级发射的其它能量。由此可见并没有什么次级过程起作用的迹象。 面对这种困惑形势，玻尔对能量守恒理论提出了质疑。玻尔的主张遭到激烈的反对，狄拉克表示：“我宁可不惜任何代价来保持能量的严格守恒。”泡利也不同意玻尔的观点，1930年，他提出：β衰变中，可能存在一种电中性的粒子带走了电子一部分能量。他把这一电中性的粒子称为中微子。泡利的这一建议是很大胆的，因为这样的粒子是很难直接探测出来的，但这一假设可以使人们摆脱有关核结构理论及β衰变所遇到的困境。 1933年10月的索尔维会议对中微子概念的发展具有重大意义。泡利在会上再次介绍了他对这个新粒子的看法。尽管海森伯还持有怀疑态度，费米却对它做了肯定，并且已经认识到它与中子的区别。那届索尔维会议后仅两个月，费米即在核的质子-中子模型的基础上，发表了有关β衰变的理论。他用相对论量子力学描述费米子，又利用狄拉克辐射理论的产生与湮灭算符及遵从二次量子化的方法导出了寿命公式和β衰变的连续能谱公式，成功的完成了他的β衰变理论。费米的β衰变理论，不仅圆满地解释了整个β衰变过程，澄清了有关β衰变的疑难，同时也确立了有关核结构的理论。按照费米的理论，在β衰变里，中微

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三：介绍刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律，与爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误。 【一】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之一：将有条件的场客加速远离，当成了无条件的场客加速 远离。换言之，将有条件的场客加速远离，当成了所 谓“宇宙速胀”。 【二】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之一：爱因斯坦们所谓“宇宙速胀”，是没有的事；而“有条件 的场客加速远离”，是确有的事。

【三】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二：试图自所谓“爱因斯坦方程”，求解“暗能量”。【四】事实上，所谓“爱因斯坦方程”，原本不能成立。【五】“爱因斯坦方程”不能成立的原因，是；等号前方的微分张量，不能等于等号后方的非张量。 【六】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之二：克服了爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二， 才能解出“荦谧加速能”（荦能额与谧能额）。【七】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之三：无客速的场客，不会加速远离；客速不够大的场客，也不 会加速远离。 【八】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之三：不问场客“加速远离所需的初速值”。 【九】场客盘速{（Rcosθ）φ速}为零、场客局纬速（Rθ速）也为零时，刘辰楼的场客局速算式，表明：R加速度 〒-（荦能额对R的偏导数）c平方exp（4荦能额+2 谧能额）+（3荦能额对R的偏导数+谧能额对R的偏 导数）R速平方。 【十】加速远离，就是：R加速度＞0。 【十一】所以，“加速远离所需的初速值”，其平方，R 速平方＞{（荦能额对R的偏导数）/（3荦能额对R 的偏导数+谧能额对R的偏导数）} c平方exp（4荦

《超光速现象观测》的实验设计

摘要：本实验设计以麦克斯韦方程组的正确解读和光线在传播过程中遇到原子的微观描述为基础，得出速度超越c（真空中的光速）的光线可以有的结论，并给出“超速”光线的观测方案。预测的观测结果将证伪爱因斯坦相对论的理论基础假设：光速不变原理。 关键词：超光速；观测；实验设计 1 实验原理 1.1 对麦克斯韦方程组的正确解读――光速相对不变原理 通过电动力学我们知道，电场与磁场相对运动会产生电磁波，并向外辐射。电磁波的速度与电场或磁场的运动速度无关。与其它物体的运动速度无关。然而电磁波之所以会产生，电场与磁场缺一不可，亦即电场与磁场此时应当作为一个系统或说一个物体对待，其“静止”参考系坐标原点是电场与磁场交变的中心。则，对于麦克斯韦方程组的正确解读――光速相对不变原理：光线以固定的速率c离开“静止”物体。即真空中光线相对于光源的速率为c。 1.2 光线传播的微观描述 光子在前行的途中遇到物体表面的原子发生反射，或遇到介质中的原子发生折射的过程分为：①不完全受激吸收。②不完全自发辐射。描述如下： ①不完全受激吸收。 光子遇到原子时，以原子为静止参考系原点，入射光子的速度作矢量修正。原子吸收光子的能量，跃迁到“准”高能级。称为不完全受激吸收。准高能级不稳定，迅速进入不完全自发辐射过程。此过程的时间间隔在宏观上表现为光线在介质中的传播速度小于c。 ②不完全自发辐射。 准高能级原子跃回原来的能级，辐射出相对于自己速率为c的光子。此过程中原来的“快” “慢”光子的动能则靠降低光子的频率来补充，光子的动能损失被原子获得，宏观表现为光压。 表现为红移。原子“吸收-辐射”光子成为“新”光源，并表现出宏观上的反射、折射规律。 1.3 光速相对不变原理的宏观描述 “静止”光源以速率c发射光线，相对于光源运动的观测者将观测到不同的光速。 真空中， 相对于光源运动的物体或介质，反射或折射后的光线红移，速率相对于物体或介质为c。 光线在“静止的”介质中都是以确定的速度运动，无论这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。不同速率的光线在接触介质时迅速被“同化”。相对于介质运动的观测者将观测到不同的光速。 “相对于介质运动的观测者将观测到不同的光速。”这句话反过来以观测者为静止，则表现为运动的介质具有“携光”效应。已在1859年斐索的流水实验被验证。 2 实验设计 上述实验原理可知，要想捕捉“超速”光线，必须要在其被介质“同化”之前方有可能。所以实验要在真空的环境里进行。以下为实验设计及结果预测： ①真空室中垂直方向旋转的旋臂两端距旋臂中心等距离放置两个光源向对面墙壁垂直发射光线。 ②转动旋臂，两个光源发射的光线在墙壁上绘出重叠的圆形。 ③靠近旋臂垂直放置一块玻璃，使绘制左半圆的光线穿过玻璃。 ④旋臂缓慢转动时，左右两个半圆的半径相同。 ⑤加快旋臂的转动，透过玻璃的光线绘制的左半圆半径不变，直接投射在墙上的光线绘制的右半圆半径增大。 3 预测结果的分析 绘制右半圆的光线矢量叠加了光源的线速度，为“快光”。所以随着光源线速度的增大，右半圆的半径增大。绘制左半圆的光线在透过玻璃后，光速恢复正常。所以左半圆的半径不

第六章 地球的演化与形成(习题)

第六章地球的演化与形成 一填空题 1. 节肢动物的三叶虫在（寒武）纪和（奥陶）纪繁盛，到（二叠）纪末期全部绝灭。 2. 早古生代是海生（无脊椎）动物和低等（植物）繁盛的时代。 3. 早古生代是海生无脊椎动物大发展的时期，其中主要类别包括（三叶虫）、（头足类）、（笔石）及（腕足类）。 4. 新生代因（哺乳）动物繁盛而被称为（哺乳）动物的时代 5. 劳亚大陆和冈瓦纳之间的古大洋为（古特提斯）洋。 6. 陆生脊椎动物最早出现在（泥盆）纪 7. 爬行动物最早出现在（石炭）纪 8. 晚古生代海生无脊椎动物以（腕足）类、（珊瑚）类、（有孔虫）和（菊石）最为繁盛。 9. 志留纪的标准化石有（笔石）、（珊瑚）和（腕足）类。 10. 地史上第一次形成广泛陆相沉积的时代是（志留）纪 11. 加里东运动发生在（志留）纪 12. 因（泥盆）纪裸蕨植物特别繁盛而被称为裸蕨植物的时代 13. 三叠纪初期，全球只有一个大陆，称为（联合大陆） 14. 地球上发现的最古老的岩石年龄为（ 4200 ）Ma 15. 早寒武世形成的地层称为（下）寒武（统）或早寒武世地层 16. 地质年代单位与年代地层单位的对应关系：宙（宇）；代（界）；纪（系）；世（统） 二选择题 1. 裸子植物在（）时代最为繁盛 泥盆纪 第四纪 中生代 寒武纪 2. 被子植物在（）时代最为繁盛 早古生代 新生代

晚古生代 3. 地球上最原始的生命出现在（） 1600Ma 3200Ma 2300Ma 1900Ma 4. 裸蕨植物的特点是（） 无根茎叶的分化 根茎叶已完全分化 已有明显的根部，但茎叶尚未分化 只有根和茎，没有真正的叶部 5. 地球上首次出现大规模出现森林的时代为（） 白垩纪 石炭纪 新第三纪 泥盆纪 6. 世界最早的成煤期为（） 侏罗纪 石炭纪 寒武纪

中微子的第三种振荡模式

核电站旁掘地三千米 科学家捕“幽灵粒子” 2014年1月18日 导读：大亚湾国际合作实验首次发现了中微子的第三种振荡模式，并获得了精确的测量数值。大亚湾中微子实验的新发现不仅令全世界科技工作者为之振奋。 据国外媒体报道，不久前，我国刚刚诞生了一项重大物理成果。大亚湾国际合作实验首次发现了中微子的第三种振荡模式，并获得了精确的测量数值。大亚湾中微子实验的新发现不仅令全世界科技工作者为之振奋。 最“热”中微子 中微子，是构成物质世界的基本粒子。恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，核反应堆的运行，以至于地球上岩石等各种物质的衰变，都能产生中微子。每秒钟，都有几万亿个中微子自由地穿过人体。 虽然中微子无所不在，但是由于穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用，很难被探测到，因此它也是基本粒子中人类所知最少的一种。提出中微子存在假设的奥地利物理学家泡利甚至说：“天啊！我预言了一种永远找不到的粒子。”所以有人称之为“幽灵粒子”。它像一只看不见的手，控制着微观世界的基本规律。 小小的中微子在微观物理粒子规律和宏观的宇宙演化中都有着重要地位，甚至可能与宇宙中的反物质消失之谜有关。因此，对它的研究远远超出了粒子物理的范畴，是粒子物理、天体物理、宇宙学、地球科学的

交叉与热点学科。 经过六十多年的科研探索，中微子研究取得了巨大进步，先后有三次重大进展获得了诺贝尔物理学奖。尽管如此，至今仍有许多关于中微子的谜团尚未解开。其中，首要亟需解决的问题就是精确测定中微子混合参数θ13. 由于这个数值的不确定性，中微子物理研究目前已经走到了一个岔路口，如果这个值很小或者没有，那么全世界研究中微子的科学家们将共同面临一个尴尬局面：不知道未来中微子研究该向何方发展。可以说，θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向。 大亚湾实验便是瞄准了θ13的精确测量。因此，在大亚湾地下100米进行的中微子实验，受到全世界粒子物理学家的热切关注。 这个难以捉摸的参数首次被精确测量，极大地振奋了国际高能物理界。实验成功后，多个国际顶尖机构纷纷发来贺电。 美国Arogonne国家实验室物理部主任Harry Weetrs教授表示，“现在，我们终于可以更精确的部署未来的中微子研究计划了”. 日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示，中微子震荡实验带来的光明前景令人激动不已，“或许在我们有生之年就可以揭开物质层次的奥秘。” 基础研究就是这样，或许现阶段看似“不实用”，但却可能成为千百年后各种重大发现诞生的摇篮。

说明文阅读专项训练110：《中微子,关乎宇宙起源之谜》

中微子，关乎宇宙起源之谜 ①日本“顶级神冈”中微子探测器项目已正式启动，计划于2027年开始收集数据。该项目由日本主导、英国和加拿大等国参与，目的是阐明物质的起源及基本粒子的“大统一理论”，揭开宇宙起源之谜。 ②中微子是宇宙中数量最多的基本粒子之一。基本粒子是已知的最小粒子，它们不能像原子那样被分成更小的粒子，是构造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最轻的物质粒子，迄今还未能测出它的确切质量，但至少比电子还要轻100万倍。它们无处不在，如太阳发光、核反应堆发电、岩石的天然放射性衰变等核物理过程中都会产生，就连我们每个人也会因体内的钾-40衰变而每天发射约4亿个中微子。 ③中微子的最大特点就是几乎不与任何物质反应。不管是人体还是地球，在它看来，都是极为空旷、可以自由穿梭的空间。我们感觉不到它的存在，科学上探测也极为困难。因此，中微子的发现和研究过程，饱含着几代科研人员的心血。 ④1930年，奥地利科学家泡利为了解释原子核衰变中能量似乎不守恒的现象，预言了中微子的存在，认为就是这种“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过20多年的寻找，美国科学家科万和莱因斯终于在核反应堆旁探测到中微子，证明了它的存在。莱因斯因此获得了1995年诺贝尔物理学奖。 ⑤1968年，美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验，首次探测到了来自太阳的中微子，证实太阳无穷无尽的能量来自氢核聚变。1987年，日本科学家小柴昌俊在第一代神冈实验中，探测到了来自超新星的中微子。他们二人因此都获得了2002年诺贝尔物理学奖。此后，戴维斯进一步提高测量精度，却发现太阳中微子的数量比理论预言的要少得多，被称为“太阳中微子失踪之谜”。此后，小柴昌俊的学生梶田隆章发现，宇宙射线在大气层中产生的中微子也比预期少，称为“大气中微子丢失之谜”。 ⑥中微子为什么比预计的少？1998年，梶田隆章在升级后的第二代神冈实验中发现，大气中微子比预期少，是因为在飞行过程中自发变成了其他种类的中微子，这一现象就是中微子振荡。他也因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。 ⑦中微子振荡现象证明了中微子有质量，尽管质量极其小，但会影响宇宙的起源和演化。根据已知的物理规律，在宇宙早期，正反物质应该成对产生，数量是一样的。但在现在的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象。为什么宇宙只由正物质构成？反物质到哪里去了？这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来一个意外的结果，即正反粒子的行为可以不一样，很有可能造成反物质消失。因此，全面了解中微子振荡，是破解“反物质消失之谜”的重要一环。 ⑧由于中微子难以探测，解决这些谜团需要巨大的探测器，获取更精确的数据。日本前两代神冈实验坚持自己的优势方向，掌握核心技术，持之以恒地探索，取得了巨大突破。此次启动的第三代实验“顶级神冈”将建造一个26万吨的水探测器，造价约8亿美元。此前，中国的江门中微子实验和美国的深层地下中微子实验也已开始建设。三个实验间既竞争又互补，联合分析能显著提高发现能力。新一代的中微子实验，也许有一天可以揭开宇宙起源的谜题。 11.（3分）①-③段，概括中微子的三个特点。 12.（3分）判断下列句子使用的说明方法，每空只填一项。 （1）但至少比电子还要轻100万倍。（）（）（2）它们无处不在，如太阳发光、核反应堆发电、岩石的天然放射性衰变等。（） 13.（3分）莱因斯、戴维斯和小柴昌俊获得诺贝尔物理学奖的原因分别是什么？ 14.（2分）中微子和揭开宇宙起源谜题有何关系？根据文章内容概括提炼。

暗物质与暗能量的统一性研究

暗物质与暗能量的统一性研究 发表时间：2019-06-10T14:58:52.437Z 来源：《知识-力量》2019年8月27期作者：张天成[导读] 随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。 （马来亚大学） 摘要：随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。 关键词：暗物质；暗能量；统一性；研究 一、暗物质的基本定义与特点 暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运牛顿万有引力的现象动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。由于暗物质的神秘，现在世界上产生了不同的物理理论说法。一种是说暗物质就是一种具有质量的可以相互作用但是作用力非常微弱的粒子。这种说法目前被物理学家们广泛的接受和认可。其质量与相互作用强度在电弱标度附近，在宇宙膨胀过程中通过热退耦合过程获得目前观测到的剩余丰度。但是也有另一种说法，是说暗物质是由轴子，惰性中微子等这些类型的粒子组成。 暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而目前对暗物质属性了解很少。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面：目前大部分物理学家对暗物质的存在都有一定的认同，但是暗物质的特点都有哪些，这些物理学家知道的还不太多。目前所了解的暗物质的特点主要表现在以下几个方面：第一，暗物质是一种有质量的粒子，暗物质之间可以相互产生引力，但是暗物质的质量大学目前还是个未知数。第二，暗物质具有很强的稳定性。因为通过研究发现，暗物质几乎存在于宇宙形成各个阶段，在宇宙结构形成的各个过程都有暗物质的存在，所以暗物质应该是在能宇宙上稳定的存在的。第三，暗物质之间的产生的相互作用力非常弱。暗物质和光，电等之间产生的作用特别小，几乎看不出。我们从原初核合成可以看出。如果相互作用力大的话，这个过程就会受到刺激和扰动。将导致暗物质的元素产生一系列的变化，会使得观测结果不一致。第四，我们通过电脑模拟宇宙大尺度结构的形成过程中发现，暗物质的运动速度远远低于光速，即“冷暗物质”，不然我们的宇宙无法在引力作用下形成目前观测到的大尺度结构。因此，目前我们所知道的暗物质粒子还不一定是准确的，也是不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前极为成功的粒子物理标准模型构成挑战。 二、暗能量的基本定义与特点 暗能量存在于宇宙运动中，它通过自身的引力作用推动宇宙运动，由于暗能量目前还不能吸收光，也不可以反射或者说辐射光，因此，截止到目前，人们还不能利用现在的技术对暗能量进行监测。但是暗能量可以与光产生一种中和作用，这种作用可以影响到同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，绝对速度v0>c，此时作用域的能量E产生跃迁，根据E=mc2，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。随着宇宙膨胀可以伴着时间的变化而变化，那么宇宙膨胀的高精度测量对我们来研究宇宙增加了很大的困难，在广义相对论中，我们发现，宇宙的膨胀速度主要由宇宙状态的方程式决定，如何确定暗物质和暗能量的状态方程式是宇宙学比较关注的问题。 三、暗物质与暗能量统一之宇宙大爆炸 “大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。通过暗物质和暗能量的基本定义和特点阐述来看，我们发现暗能量的产生与暗物质不可分割。暗物质与暗能量的统一可以从宇宙大爆炸模型来说。最初的宇宙起源于密度特别大的奇点，这个奇点会在某个时刻存在不平衡的状态，这时候就产生了第一次大爆炸。但是这次大爆炸一直都没有被发现，因为没有任何明显的现状，奇点并没有破碎，但是奇点在力的粒子和周伪散落，慢慢地奇点失去合力产生了第二次大爆炸，这次的爆炸导致整个奇点破碎了，暗物质与重子物质也随之散开，冷却后形成了现在的宇宙。这就是著名的宇宙大爆炸。这时候宇宙中的各种天体在暗物质的引力下迅速膨胀，宇宙中的重子物质和暗物质圈几乎重叠在一起，宇宙就开始不断收缩，最后塌陷到奇点，时间再次回到原点。 结论 “宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。虽然我们看到暗物质的作用力方向和暗能量的方向完全相反，但是这种现象有很大可能是由同一种物质导致的，很大可能就是本文所讲述的暗物质。这种物质在内部主要呈现出引力的作用，在外部主要呈现出反引力。通过研究暗物质与暗能量的统一性分析，也发现这个理论对宇宙大爆炸现象有很强的说服力。参考文献 [1]周烨.浅谈暗物质与暗能量要求及新技术的应用[J].山东工业技术,2019(06). [2]孙彩虹.暗物质与暗能量在物理系统中的应用解析[J].通信电源技术,2018,35(10). [3]张晓丽.暗物质与暗能量在物理系统中的运用分析[J].科学技术创新,2018(28). [4]刘振宗,陈智远.暗物质与暗能量统一性研究分析[J].技术与市场,2018,25(12). [5]李思明,王宇翔.暗物质与暗能量研究[J].科技风,2018(31). [6]李苏.试论暗物质与暗能量统一性模型研究[J].科技与创新,2018(18).

核探测与核电子学国家重点实验室五年工作报告

2017年4月27日 中国科学院

国家重点实验室（2011-至今） ●2011年10月（批准筹建）●2013年11月（正式成立） 总体定位和研究方向：实验室的发展 中科院重点实验室（2008-2011） ●2008年12月（正式成立） ●2009年12月，评为A 类重点实验室 所系联合实验室（2005-2008） ●2005年4月25日（正式成立） ●中国科学院高能物理研究所● 中国科学技术大学近代物理系 2015年通过科技部组织的数理领域专家组评估

总体定位和研究方向： 定位与目标 建设成为“核探测与核电子学”领域的： ?一流的研究基地 ?一流的人才培养基地 ?一流的国内外合作研究和学术交流基地

?先进核探测技术 ?前端电子学 ?大容量数据获取与处理系统 总体定位和研究方向：研究方向 ?气体探测器?闪烁探测器?半导体探测器 ?ASIC 设计与应用 ?高速波形采样技术和应用研究?高精度FPGA TDC ?高速数据读出和实时处理?触发判选?探测器控制 新思想新方法新技术新工艺设计预研建造运行

大科学工程的建设和运行 1.北京谱仪（BESIII） 2.大亚湾中微子实验 3.中国散裂中子源（CSNS） 4.江门中微子实验（JUNO） 5.高能光源验证装置（HEPS-TF） 6.高海拔宇宙线观测站（LHAASO） 7.高能环形正负电子对撞机（CEPC）

国家重点实验室专项经费 每年800万元 1.自主研究课题：400万 2.开放课题：80万 3.开放运行费：320万，维持实验室正 常运转、完成日常工作、组织学术交 流等

暗物质和暗能量是如何形成的解读

暗物质和暗能量揭秘开始想写这篇文章，源于多年对宇宙物理学的浓厚兴趣。对于宇宙如何诞生，演化也有一些自己的观点。特编写出来和广大宇宙物理爱好者共研。由于本人水平有限，不妥之处请朋友谅解，不胜感激。 1.宇宙的本质是什么？宇宙万物及我们人类存在于广阔无艮的宇宙之中，我们大多数人也许不会去思考的一些问题—宇宙为什么能存在？为什么会有宇宙？其实中外古今有许多人是对这个问题进行过探讨，如我国的盘古开天辟地，轻清上浮为天，重浊下沉为地，天地间隔随时间不断加大，女娲抟土而造人的理论。西方的上帝创造宇宙，再创造了一个男人亚当，用亚当一根肋骨创造出第一个女人夏娃的理论。当然还有其他创世神创世等各种学说。这些学说我们先不要妄言其一定是谬的，可是都有一个共同的不解之处，那就是创世神是存在于哪里，创世神所在那个世界又是怎么来的？如果不能解释这个问题，那这些理论就不是成熟的理论了。现在有一个理论认为宇宙是起源于一次大爆炸，宇宙是从一个几乎无限小的奇点大爆炸而产生的，这就是著名的宇宙大爆炸起源理论。1929年，美国天文学家哈勃通过观测遥远星系的红移提出星系的红移量和星系的距离成正比的哈勃定理，并推导出星系都在远离的宇宙膨胀学说。大爆炸宇宙论是一种观测证据最多，最获公认的现代宇宙理论。大爆炸宇宙论很好地解释了为什么会有宇宙，但还有一个问题不能解释，那就是宇宙为什么能存在？宇宙万物得以存在如果没有任何依据，难道不是一件不可思议的事情吗？因此我认为一定会存在一种与构成宇宙的要素属性相反，能相互抵销的要素。我们把构成宇宙一切物质和能量的要素称为原力，把我们所在的宇宙定义为正宇宙，那么与原力相反属性的反原力构成的宇宙就是反宇宙。原力是构成物质和能量的最基本单位，所以不管物质粒子结构多么复杂，原力却是最简单、最单纯的，它没有内部结构，因为如果有内部结构就不能算是基本单位了。因此既使最多量的原力都能集合于无限小的空间之内，是构成宇宙一切的唯一素材。值得一提的是，原力不是力，但宇宙一切运动因它而起，故称之原力。因此，我认为宇宙的本质是虚无的，可以用0=（+X+(-X表示，+X表示宇宙正原力总量，-X表示反宇宙反原力总量。正反原力在理论上可以抵销湮灭，正原力和反原力绝对一样多。其实古人们对于宇宙虚无本质早有论述，周易中说：“无极生太极，太极生两仪”，就是说虚无诞生无限多，无限多有

超光速实验的一个新方案

超光速实验的一个新方案 黄志洵 （中国传媒大学信息工程学院，北京100024） 摘要：Einstein 的理论并非神圣不可侵犯，超光速将开启新物理学的大门，而自1955年以来一系列理论与实验研究企图发现超光速现象，多个实验显示超光速是可能的。本文在回顾1955年至2009年的研究后，得到“超光速是可实现的科学陈述”的结论。因此，狭义相 对论关于“没有可以超光速行进的事物”的说法归于无效。 飞出太阳系是人类长久以来的理想，飞行速度最好达到光速或超光速。当然这很难做到，但也不是绝对不可能。1947年超声速飞机试飞成功突破了“声障”一事已成历史，而可压缩流力学似可用到超光速研究中来，即以空气动力学成就作为突破“光障”的参考。 从理论上讲研究“量子超光速性”是很重要的，具体包含两个方面：量子隧穿及量子纠缠态，它们分别对应小超光速（/v c <5）和大超光速（/v c >104）。现时的超光速研究可考虑用圆截面截止波导（WBCO ）来改造直线加速器，再检验电子的运动；亦即用量子隧穿以实现超光速，而在经过势垒之后波和粒子的能量减弱。这与突破声障的情况（例如Laval 管）相似。 为了研究飞船以超光速作宇宙航行的可能性，必须尝试使中性粒子（中子、原子）加速运动并达到高速。然而现实是不存在中子加速器，因此发现以超光速运动的电子（奇异电子）是科学家不妨一试的实验课题。从波动力学和波粒二象性的观点看，“群速超光速”在实验中取得了广泛的成功，预示着粒子形态的电子以超光速运动的可能性存在。但后者与前者一样必然是“小超光速”。这正好体现了电磁作用的传递速度（电磁波本征速度）仅为光速的事实， 作者简介：黄志洵（1936- ），男（汉族），北京市人，中国传媒大学教授、博士生导师，中国科学院电子 学研究所客座研究员。 U n R e g i s t e r e d

暗物质暗能量的理论研究和实验预研

项目名称：暗物质暗能量的理论研究和实验预研首席科学家：吴岳良中国科学院理论物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：中国科学院

一、研究内容 拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括： 本项目围绕暗物质和暗能量本质开展理论研究和实验探测的可行性分析, 充分利用已有的研究基础，从以下五个方面开展深入系统的研究： 1、暗物质的理论研究及相关新物理唯象 研究各种新物理模型，包括最小超对称模型及其变种和推广模型，额外维度模型，Little Higgs模型，各种类型的Hidden Sector模型，标准模型的最小推广（多个Higgs模型）中WIMP暗物质的湮灭及衰变过程的性质。在满足暗物质剩余丰度的条件下研究其湮灭或衰变产物，如正电子，反质子，高能中微子，光子的信号特点，为空间间接探测实验提供理论依据。同时重点关注未来实验可能观测到的高能中微子及光子信号。在对现有实验结果的研究中,由于PAMELA 没有观测到反质子的超出，这表明暗物质的主要湮灭道为带电轻子而非规范粒子或夸克，这就给一些暗物质模型如最小超对称模型带来了一定的困难。对此，需要对模型的参数空间进行更详细的研究。同时，也需进一步研究构造以轻子为主要湮灭道的理论模型。另一方面，为了解释PAMELA和ATIC上观测到的正负电子超出，暗物质在地球附近的密度分布要比通常由热力学残余丰度给出的大出2-3个数量级。如何构造模型能同时满足这两方面的要求是研究的重点之一，将首先研究已知的可能解释实验现象的一些机制，如量子索末菲效应和共振态增强效应等。 寻找和发展更有效探测暗物质的方法。通过对自旋相关与自旋无关的散射截面确定暗物质的基本属性。研究DAMA实验的正结果和其它实验如CDMS和Xenon 给出的零结果是否一致及其它们的物理原因。鉴于DAMA的实验结果，探寻可能存在的统一解释目前所有直接探测实验结果的暗物质－核子相互作用机制。研究非弹性散射和测量仪器靶物质的相关性等。 综合正负电子对撞机LEP上的Z产生和衰变，希格斯粒子质量限制，额外规范粒子的研究，及低能实验如μ子反常磁矩，b→sγ，B →μ+μ-和味道改变中 s

量子力学诠释问题(一)

量子力学诠释问题（一） 作者：孙昌璞( 中国工程物理研究院研究生院北京北京计算科学研究中心) 1 引言：量子力学的二元结构和其发展的二元状态上世纪二十年代创立的量子力学奠定了 人类认识微观世界的科学基础，成功地解释和预言了各种相关物理效应。然而，关于波函数的意义，自爱因斯坦和玻尔旷世之争以来众说纷纭，并无共识。直到今天，量子力学发展还是处在这样一种二元状态。对此有人以玻尔的“互补性”或严肃或诙谐地调侃之，以“shut up and calculate”的工具主义观点处之以举重若轻。这样一个二元状态主要是由于附加在玻恩几率解释之上的“哥本哈根诠释”之独有的部分：外部经典世界存在是诠释量子力学所必需的，是它产生了不服从薛定谔方程幺正演化的波包塌缩，使得量子力学二元化了。今天，虽然波包塌缩概念广被争议，它导致的后选择“技术”却被广泛地应用于量子信息技术的各个方面，如线性光学量子计算和量子离物传态的某些实验演示。早年，薛定谔曾经写信严厉批评了当时的物理学家们，他在给玻恩的信中写到：“我确实需要给你彻底洗脑……你轻率地常常宣称哥本哈根解释实际上已经被普遍接受，毫无保留地这样宣称，甚至是在一群外行人面前——他们完全在你的掌握之中。这已经是道德底线了……你真的如此确信人类很快就

会屈从于你的愚蠢吗？”1979 年，Weinberg在《爱因斯坦的错误》一文中批评了玻尔对测量过程的不当处理：“量子经典诠释的玻尔版本有很大的瑕疵，其原因并非爱因斯坦所想象的。哥本哈根诠释试图描述观测(量子系统)所发生的状况，却经典地处理观察者与测量的过程。这种处理方法肯定不对：观察者与他们的仪器也得遵守同样的量子力学规则，正如宇宙的每一个量子系统都必须遵守量子力学规则。”“哥本哈根诠释可以解释量子系统的量子行为，但它并没有达成解释的任务，那就是应用波函数演化方程于观察者和他们的仪器。”最近温伯格又进一步强调了他对“标准”量子力学的种种不满。在量子信息领域，不少人不加甄别地使用哥本哈根诠释导致的“后选择”方案，其可靠性令人怀疑！其实，在量子力学幺正演化的框架内，多世界诠释不引入任何附加的假设，成功地描述了测量问题。由于隐变量理论在理论体系上超越了量子力学框架，本质上是比量子力学更基本的理论，所以本文对Bell 不等式不作系统讨论。自上世纪八十年代初，人们先后提出了各种形式迥异的量子力学新诠释，如退相干、自洽历史、粗粒化退相干历史和量子达尔文主义，但实际上都是多世界诠释的拓展和推广。2 哥本哈根诠释及其推论哥本哈根诠释的核心内容是“诠释量子世界，外部的经典世界必不可少”。波函数描述微观系统的状态，遵循态叠加原理，即：如果|?1>

撼动未来物理学发展的十大顶尖科学实验

撼动未来物理学发展的十大顶尖科学实验 2013年11月22日 1．希格斯玻色子的发现可能开启了另一个混乱的物理学前景 腾讯科学讯（罗辑/编译）据国外媒体报道，当欧洲核子研究中心的科学家在去年7月宣布他们发现了希格斯玻色子后，目前粒子物理的时代似乎结束了，科学家找到了万物的质量之源，是标准模型的最后一块拼图。但事实也许不是这样，希格斯玻色子的发现使得粒子物理学前进的领域似乎一片混乱，加州理工学院物理学家玛丽亚认为这是一个谜一样的局面，接来下几年内，新的实验将指向暗物质、中微子性质、希格斯粒子的性质探索等。

2．ALTAS和CMS升级能量后将调查希格斯玻色子与暗物质之间的关系ALTAS和CMS是大型强子对撞机的两个关键实验，目前工程师正在对探测器进行升级，到2015年之后才可能重新启动，芝加哥大学粒子物理学家大卫·米勒认为两大探测器在希格斯玻色子探索过程中发挥了重要作用，科学家希望看到奇异粒子的线索，有些存在于超对称理论所预言的范围之内。事实上，ALTAS和CMS 无法看到真正的希格斯玻色子，即我们只探索到希格斯玻色子衰变后的夸克、反夸克或两个光子等，粒子物理学家玛利亚认为希格斯粒子可能会变成真正很奇怪的东西，比如像一个暗物质粒子，大型强子对撞机升级后的数据可以告诉科学家希格斯玻色子与暗物质之间存在何种关系，如果我们发现了，那就开辟一个全新的 物理学。

3．美日中微子探测器将在未来数年获得进展 美国国家费米实验室NuMI离轴中微子实验（NOvA）和日本领导的T2K中微子国际合作组是目前探索中微子的前沿任务，中微子几乎没有质量，其属性可能也超出科学家的预想之外，阿贡国家实验室的物理学家莫里古德曼认为接下来的实验将对μ介子等粒子的行为进行研究，我们目前确定的质量范围在电子质量100亿分之一以下。费米实验室中微子束发射后经过810公里的路程抵达明尼苏达州阿什河附近的探测器，而日 本的中微子通道跨度为295公里，T2K中微子项目已经运行了数年，有望在2014年采集数据

中微子研究进程及未来实验研究

中微子研究进程及未来实验研究 中微子研究已有漫长的历史。从泡利1930年提出存在中微子的假说，迄今已有85年。从首次探测到中微子算起，也有60年历史。因为中微子难以探测，起初发展较为缓慢。下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“中微子研究进程及未来实验研究”的物理史论文，供大家参考。 原标题：中微子研究的历史与未来 中微子研究已有漫长的历史。从泡利1930年提出存在中微子的假说，迄今已有85年。从首次探测到中微子算起，也有60年历史。因为中微子难以探测，起初发展较为缓慢。1998年日本超级神冈实验发现中微子振荡，迎来了中微子研究的黄金时代。各种研究蓬勃发展，美国甚至停掉了除大型强子对撞机以外的其他大型实验，将粒子物理研究的主要精力放在了中微子上。本文将简要回顾中微子研究的历史，并介绍现在和未来的中微子实验研究。 一、发现中微子 中微子最显着的特点就是几乎不与物质相互作用，因而穿透能力强，同时也使得探测非常困难。

我们身边的中微子其实非常多，例如一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子，每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体，宇宙大爆炸的残余中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米。大多数核过程都会产生中微子，例如宇宙线轰击大气、岩石的天然放射性、超新星爆炸，等等，连每个人都会因体内的钾40衰变而每天产生4亿个中微子。 这些中微子几乎自由地穿行，本身不能被探测，只有极少的一部分会被探测器捕获，变成可观测的粒子，因此现代的大型中微子实验动辄上万吨。以江门中微子实验为例，2万吨液体闪烁体每天只能探测到60个反应堆中微子，4个大气中微子，1个地球中微子，以及90个硼8太阳中微子。与之相比，作为本底的宇宙线则有10万个，这还是将探测器放到地下700米，宇宙线流强降低了20万倍后的结果。 自从泡利预言中微子后，人们尝试了许多方法来寻找它，其中包括王淦昌1941年提出的K电子俘获方法，美国人阿伦用它得到了中微子存在的证据。但直到1956年，才由莱因斯（F. Reines）和柯温（C.Cowan）首次直接探测到中微子，莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔奖。 莱因斯是一名理论物理学家，他加入了曼哈顿项目，在费曼（R.