中微子——一個熱門的話題

作者簡介：鄭志鵬，1963年畢業于中國科學技術大學近代物理系。中科院高能物理所研究員，博士生導師，“中國物理C(高能物理與核物理)”雜志主編。 曾任中科院高能物理所所長，廣西大學校長。曾領導北京譜儀的建造，主持τ輕子質量的測量， 參加北京譜儀數據分析，獲得過國家科技進步特等獎（1990），國家自然科學二等獎（1994），中科院國家進步特等獎（1989），中科院自然科學一等獎（1993），中科院科技成就獎（2003），全國科技信息系統成果一等獎（1996），何梁何利科技進步獎（2005）等獎項。發表論文200余篇，專著三部，培養碩士10人，博士12人。

最近一段時間里，人們經常談及中微子，是因為近年來，物理學家發現了中微子的振蕩特性，從而推斷出中微子有質量（雖然很小）的結論，這是對標準模型的極大挑戰，因而激起了人們極大的熱情。不但高能物理、核物理還有天體物理和宇宙學都給予高度的關注，一門新的交叉學科——中微子物理正在蓬勃興起。下面讓我們講述一下中微子的故事，還得從它的發現開始。

1 中微子的發現

20世紀20年代，物理學家發現在β衰變過程中，電子的能譜是連續的，而不像α衰變、γ衰變那樣，能譜是分立的。

1930年泡利（Pauli）在解釋這一現象時提出存在一種電中性的粒子，自旋為12，在β衰變過程中與電子一同發射出來，攜帶了一部分能量，因而使電子能譜連續。這就是最早關于中微子存在的假說。

但是因為中微子是電中性的，與物質發生相互作用非常弱，與物質相互作用截面為1×10-34cm²，非常非常小，相當于吸收長度非常非常大，大到29光年。因此中微子極難探測到，對它的認識經歷了漫長的歲月。

1952年羅德拜克等人根據王淦昌的建議用K殼層電子俘獲實驗測量了核的反沖能量，根據能量、動量守恒定律，給出了中微子存在的實驗證據。

1956年，F.Reines和C.Cowan在核反應堆中通過核反應e+p→e++n首次觀察到了中微子，將近四十年后的1995年，諾貝爾物理獎才授予Reines，而Cowan已去世多年。

μ中微子vμ與電子中微子ve是否相同的檢驗實驗是在1962年，由Lederman，Schwartz和Steinberger等人完成的。他們在布魯克海文實驗室，用15GeV的質子束打鈹靶產生π介子束，π介子衰變為μ子和vμ中微子，vμ 中微子通過15噸的火花室后可產生帶電的μ，而不是電子，從而證明了vμ不同于ve，為此他們獲得了1988年的諾貝爾物理獎。

20世紀90年代，LEP和SLC通過Z0衰變寬度的測量，證明了中微子只有三代（Nv=3.00±0.06）。

2000年，費米實驗室的Donut實驗探測到了vτ中微子。

2 從太陽中微子丟失到中微子振蕩

太陽的能源來自氫核聚變，通過反應4H+2e-→4He+2ve實現的，因而產生大量的電子中微子。中微子通量為6.5×1010cm-2#8226;s-1。這一過程能很好地用太陽模型描述。

測量太陽中微子的先驅是R.Davis。在1970年，他用615噸C2Cl4作探測器，通過ve+37Cl→e-+37Ar反應，尋找放射性的 37Ar原子。他終于找到了 ，從而探測到了來自太陽的中微子。因此，他獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。他們在測量太陽中微子數量時，發現探測到的中微子數量只有預期的三分之一。三分之二的太陽中微子丟失到哪里去了？一直成為一個謎，令物理學家困惑。為了排除低能太陽中微子沒有被探測到的可能，科學家對探測器不斷進行改進，設法降低探測器閾值。人們還檢查了太陽模型，并沒有發現什么問題。

1990年GALLEX和SAGE實驗，通過反應ve+71Ga→e-+71Ge 再一次證明了太陽中微子的丟失現象，發現丟失了約50%。繼而又被更低閾值（水切侖科夫探測器）的神岡實驗所證實。為了解釋這一丟失現象，一種被廣泛認可的理論是：太陽中微子自發射到地球這段距離，一部分電子中微子轉換成另一種中微子，例如τ中微子。這種由一種輕子到另一種輕子的轉換有點像K0到0 介子的轉換一樣，也稱振蕩。2001年SNO重水探測器，利用中微子-電子散射，可以區別ve+2H→2p+e-以及vx+2H→p+n+vx兩種過程。實驗證明有23的太陽中微子(ve)轉換成了其他中微子，給出中微子振蕩的有力證據。

中微子振蕩現象還在其他類型中微子源的實驗中觀察到。1998年，日本的超級神岡實驗觀察到了大氣中微子振蕩的證據。該實驗在很深的礦井下進行，探測器使用5萬噸水和一萬多個光電倍增管組成的切侖科夫計數器，發現vμ在飛行過程中丟失，轉變為其它味道的中微子。

2000年，K2K實驗也證實了加速器產生的中微子vμ 在飛行中丟失，發生振蕩。該實驗是用KEK加速器產生1GeV的vμ束，對準超級神岡，發現vμ在飛行250千米后丟失了30%，轉變為其它味道的中微子。

神岡探測器和IMB合作組還在1987年觀察到了1987A超新星爆發時產生的中微子，為天體物理，宇宙學的研究提供了重要信息。

由于神岡實驗對中微子做出的貢獻，該實驗的創始人小柴昌俊分享了2000年的諾貝爾物理獎。

2002年，KamLAND實驗也觀察到了反應堆中微子(ve)的振蕩。該實驗使用一千噸的液體閃爍體為探測器，反應堆距探測器180千米，發現近40%的ve丟失，轉變為其它味道的中微子。

以上的大量實驗證明，中微子振蕩已是千真萬確的事實。

3 從中微子振蕩到中微子質量

1962年日本物理學家Z.Maki等人提出了中微子振蕩的概念。他們認為中微子在空間傳播時會產生振蕩或稱混合。人們觀察到的味道本征態是一個質量本征態的線性組合。每一味道成分有不同發生的頻率。當距離增加時，中微子味道成分將隨質量本征態相位的變化而變化。這種味道的遷移稱為中微子振蕩。

前面已經說過，中微子有振蕩的事實已被證實，因而可得出中微子質量不為零的結論，這與標準模型假定中微子質量為零的假設相矛盾。這是對標準模型極大的挑戰。

中微子振蕩也說明輕子數不守恒是存在的，這一點也是對標準模型的突破。

4 三代中微子的混合

標準模型認為中微子有三代，因此應該考慮三代中微子的混合。雖然標準模型認為中微子質量為零，而在我們考慮中應允許中微子帶有質量。

中微子質量測量還在其他類型實驗中進行。如用氘的β譜尾端擬合方法可直接得到ve的質量mve<2.2eV。無中微子的雙β衰變76Ge實驗得到mββ<0.35eV。宇宙學給出的中微子質量為0.7-1.8eV。威爾金森微波各向異性探測器給出的結果是：mv<0.23eV。

以上質量上限都與中微子振蕩的結果是不矛盾的。

三種中微子混合矩陣U的提出是對標準模型的發展，但從理論高度如何理解，如何給出精確的值，近年來理論家做了大量的工作，但多是唯象的。2006年，李政道和R.Freidberg從對稱性原理推導出U，用3個參數表示6個可測量的量，其結果與實驗數據符合得很好。可以說這是從本質上認識三種中微子混合邁進了一大步。

5 未來實驗展望

為了得到更精確的θ值和Δm值 ，確認是否存在中微子的CP破壞，是否存在第四種中微子，這都需要更多的，更新的數據。一些大型實驗已建成，或即將建成，如MINOS，OPERA，ICARUS和JHFnu等。其特點是加速器束流強，能量高，可產生較多的vτ，探測器尺寸較大，質量大，探測中微子效率高，分辨率高。

在三個混合角中大家十分關心θ13的值，因其是混合矩陣重要的參數之一，其值很小，測量的難度也增加了。目前給出的精度很差。只有精確地確定θ13值才能給出完整的U矩陣，才可以了解與CKM矩陣的區別。θ13的大小與中微子CP破壞直接有關，對了解中微子是否存在CP破壞是十分關鍵的。為此，物理學家進行了大量的努力，提出許多利用反應堆精確測量θ13的計劃。

中國物理學家注意到我國大亞灣有大功率原子能發電站群，總功率為12GW，占世界第二位。周圍又有許多山體可供屏蔽用，可大大減小本底，于是他們提出利用反應堆產生的中微子，建造相應的探測裝置來測量θ13混合角的科研計劃。該計劃得到美國等國科學家的響應，現已形成國際合作組，并得到了中國科學院、科技部及美國有關單位的支持。一個以我國為主的大型國際合作項目正在順利進行中，工程建設已起步，其最終目標是將θ13的精度提高到1%左右。

6 中微子與宇宙學、天體物理

宇宙大爆炸在大爆炸開始就伴隨著大量中微子的產生，一秒之后它們就與物質分離，自由地蒸發到宇宙深處。在膨脹過程中，它們的平均溫度變得比微波背景輻射還要低，能量只有0.2MeV。如果能夠探測到這種低能中微子，無疑對認識大爆炸過程有重要作用。

在探討暗物質是什么的今天，自然也把中微子作為暗物質的候選者之一來討論，因為以~100/cm3密度，中微子充滿宇宙，而中微子是有質量的，因此中微子會對宇宙貢獻出可觀測物質以外的質量。

許多天體放射出中微子，可作為探測天體的探針來研究天體本身的結構、內部反應的過程，了解它們的起源和演化。

太陽中微子使我們最初捕捉到中微子振蕩的信息，而對太陽中微子仔細的研究又會使我們深入了解在太陽中發生的核聚變過程中pp鏈的反應率，CNO鏈反應截面。了解氫燃燒的反應對超新星起源和演化有重要作用。

1987A超新星爆發時，人們偶然地探測到飛出來的19個中微子事例，經過分析后，幫助我們了解超新星爆發，認識重質量星爆發坍縮，隨后質子、中子星冷卻并放出中微子的過程。

可想而知，如果我們瞄準天體（超新星，超新星殘余體，雙星，活動星系核，類星體等），探測它們發射出的大量的中微子，得到中微子通量和能譜的信息，定會對了解這些天體的內部結構有極大幫助。超級神岡Ⅱ的切侖科夫探測器有效體積水增至3萬2千噸，是用來觀測銀河系，小麥哲倫云團范圍內超新星爆發所發射出的中微子，已在運行中，正等待超新星爆發。還有許多觀測計劃正在實施當中。由于從這些天體發出的都是高能中微子，因此也都使用大型切侖科夫計數器來探測，例如地中海水下的Antares探測器和在南極造一個1立方千米大冰球組成的Amanda切侖科夫計數器，用來探測來自天體的高能中微子。

已有的一些中微子探測器擬測量地球內部的放射性核素在β衰變時放射出的中微子譜來了解地球內部的信息。

中微子將粒子物理、核物理、宇宙學、天體物理緊緊地聯系在一起，逐漸地形成了中微子物理分支學科。

(欄目編輯廖伯琴)