揭開中微子的神秘面紗

孫文德

去年，中微子具有質量的發現，被我國科學家和美國《科學》周刊評選為1998年度世界重大科技新聞之一。1999年初，中國科學院在《1999科學發展報告》中又將中微子研究稱為“新物理的突破口之一”。中微子究竟是什么東西?中微子的研究為什么如此受到科學家們的重視?要回答這些問題，就要從中微子的發現說起。

中微子的發現

中微子的發現，還要從19世紀末20世紀初對放射性的研究談起。當時，科學家們發現，在量子世界中，能量的吸引和發射是不連續的。不僅原子的光譜是不連續的，而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續的。這是由于原子核在不同能級間躍遷時釋放能量而引起的，是符合量子世界的規律的。可奇怪的是，物質在B衰變過程中釋放出的B射線由電子組成的能譜卻是連續的，而且電子只是帶走了它應該帶走的能量的一部分，還有一部分能量卻失蹤了。

到了1933年，意大利科學家費米提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用。β衰變就是原子核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子。

由于中微子與其他粒子的作用非常微弱，在很長一段時間內科學家們一直未能直接觀測到它。50年代中期，美國加利福尼亞大學物理學教授弗雷德里克·萊因斯及其同事在氯化鎘溶液中發現了中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的頻閃，從而證實了中微子的存在。為此，他與發現輕子的美國物理學家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學獎。

驚世發現：中微子有質量

在微觀世界中，中微子一直是一個無所不在又不可捉摸的過客。中微子產生的途徑有很多，如恒星內部的核反應、超新星的爆發、宇宙射線與地球大氣層的撞擊以及地球上巖石等各種物質的衰變等。由于中微子與物質的相互作用極弱，難以捉摸，以致人們至今對它的認識還很膚淺，就連它有無質量也一直沒有搞清楚。

為了研究中微子的性質，各國建造了大量的探測設施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測裝置、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測設施以及美國在南極地區建造的中微子觀測裝置。

日本神岡町的地下中微子探測裝置，設置在一個地下1公里深處廢棄的鋅礦坑中。這是一個巨大的水池，裝有5萬噸水，周圍放置了1．3萬個光電倍增管探測器。當中微子通過這個水池時，由于水中氫原子核的數目極其巨大，兩者發生撞擊的概率相當高。碰撞發生時產生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，并通過轉換器變成數字信號送入計算機，供科學家們分析和研究。

1998年6月，日本科學家們宣布：從他們的中微子探測裝置掌握的足夠實驗證據說明中微子具有靜止質量。這一發現引起了人們的廣泛關注。來自24個國家的350多名高能物理學家云集日本小鎮神岡町，親眼目睹了整個實驗過程。美國哈佛大學理論物理學家謝爾登·格拉林指出：“這是最近幾十年來粒子物理領域最重要的發現之一。”

將大放異彩的中微子天文學

中微子具有質量的意義非同一般。雖然單個中微子的質量微不足道，但由于宇宙中中微子的密度與光子相仿，比其他所有粒子都要多出數十億倍。所以它的總質量也就非常驚人。中微子有無質量還關系到人類所在的宇宙將如何演變。科學家目前認同的有兩種設想：一種情況是宇宙將像現在這樣永遠膨脹下去，另一種情況是它膨脹到一定程度后將會在自身引力的作用下發生收縮，至于會產生哪一種情況，將取決于宇宙的總質量。如果總質量小于某個臨界值，宇宙自身的引力就不夠大，前者將會發生；反之則為后者。

對中微子的研究不僅可以告訴我們宇宙整體的質量，而且可以揭示浩瀚的太空深處各種星體的奧秘。這是因為從星球內部發出的光很難穿過龐大的星球，我們現在所觀測到的星光、太陽光只是星球、太陽表面發出的光，只有中微子才能暢通無阻地將星球、太陽內部的信息帶給我們。

1987年2月23日格林尼治時間10點35分，南半球的幾個天文臺觀測到大麥哲倫星云中一顆超新星開始爆發。這消息公布后，幾個有大型地下中微子天文臺的實驗室立刻查閱了數據證錄磁帶，發現在當天格林尼治時間7點35分左右總共捕獲了24個來自超新星的中微子，記錄下了十分珍貴的信息。

正是中微子可以穿過大量的物質卻幾乎不發生任何反應，從而為我們帶來了宇宙深處的中微子信息。雖然此次超新星爆發時我們只記錄下了24個中微子，但卻可以推算出這顆超新星爆發的總能量和爆發后形成的中子星的直徑與質量。可以預計，中微子天文學將在21世紀大放異彩。

能穿透地球的中微子通訊

對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我們的日常生活中也有現實意義，其中可能的應用之一就是中微子通訊。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子穿過地球時損耗很小，用高能加速器產生的10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減1/1000，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。把中微子流加以調制，就可以使其包含有用信息，將來在地球上任意兩點進行通訊聯系，無需昂貴而復雜的衛星或微波站。我們相信：隨著對中微子物理研究的不斷深入，將給人類帶來巨大的收益。

(責任編輯／錢利群)