尋找中微子

　　我國古代有一個美麗的傳說，說宇宙原來是混沌一片，后來盤古開天辟地，世界才成形。當然，這只是神話，不是科學。
　　根據現代科學的認識，我們生活在其中的這一個宇宙是在大約150億年前的一次宇宙大爆炸中誕生的，大爆炸以前和大爆炸最初10-43秒以內，宇宙是什么樣子？目前的科學還無可奉告。只知道大爆炸后10-43秒時，宇宙的密度高達1049克/厘米3 ，溫度是1032攝氏度。
　　當時世界上的物質是我們還不清楚的粒子。瞬間以后，出現了大批我們今天所認識的“粒子”，其中有一類叫做“中微子”。它們不帶電，質量極小，與其他粒子的相互作用極弱，長期在太空遨游。還有另外一些粒子，由于它們的相互作用較強，隨著宇宙溫度的變冷而逐漸凝結成原子、分子，凝聚成星球。大約50億年前，太陽和太陽系形成了，其中也包括地球。
　　在微觀世界中，中微子一直是一個無所不在、而又不可捉摸的過客。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，以至于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，就連它有無質量也還沒有搞清楚。
　　雖然單個中微子的質量微不足道，但由于宇宙中它的數量極其巨大，平均每立方厘米有300個，密度與光子相仿，比其他粒子都要多出數十億倍，它有無質量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在自身引力作用下發生收縮。哪一種情況會發生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足夠大，前者將會發生；反之后者將會發生。如果中微子具有靜止質量，其總質量會非常驚人，影響到宇宙總質量與臨界質量的對比關系，也就是決定宇宙是膨脹還是收縮。
　　另外，從星球內部發出的光很難穿出龐大的星球，我們觀察到的星光、太陽光只是星球和太陽表面發出的光，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。
　　這種神奇的中微子，又是如何被人類發現的呢？
　　這要從19世紀末20世紀初對放射性的研究說起了。當時，科學家們發現，在量子世界中，能量的吸收和發射是不連續的。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。但奇怪的是，物質在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續的，而且電子只帶走了它應該帶走的能量的一部分，還有一部分能量竟然失蹤了。
　　1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，當時世界最頂尖的核物理學家匯聚一堂，其中有海森堡、泡利、居里夫人等。泡利在會上提出，β衰變過程中能量守恒定律仍然是正確的，能量虧損的原因是因為中子作為一種大質量的中性粒子在衰變過程中變成了質子、電子和一種質量小的中性粒子，正是這種小質量粒子將能量帶走了。奧地利物理學家泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被發現后，意大利物理學家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。
　　泡利的中微子假說和費米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受，但終究還蒙上了一層迷霧：誰也沒有見到中微子。就連泡利本人也曾說過，中微子是永遠測不到的。而1946年，意大利天才的物理學家布魯諾·蓬泰科爾沃想出了捕捉這種神秘莫測的“幽靈”的方法。他的原理是：當中微子進入氯原子的原子核后，就會變成可探測到的放射性氬粒子。蓬泰科爾沃的方法多年之后才在技術上得以運用。
　　在電子俘獲試驗證實了中微子的存在以后，進一步的工作就是測量中微子與其他粒子相互作用引起的反應，直接探測中微子。由于中微子與物質相互作用極弱，這種實驗是非常困難的。直到1956年，這項試驗才由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。首先實驗需要一個強中微子源，核反應堆就是合適的源。這是由于核燃料吸收中子后會發生裂變，分裂成碎片時又放出中子，從而使其再次裂變。裂變碎片大多是β放射性的，反應堆中有大量裂變碎片，因此它不僅是強大的中子源，也是一個強大的中微子源。因為中微子反應幾率很小，要求用大量的靶核，萊因斯選用氫核（質子）作靶核，使用了兩個裝有氯化鎘溶液的容器，夾在三個液體閃爍計數器中。這種閃爍液體是一種在射線下能發出熒光的液體，每來一個射線就發出一次熒光。由于中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的頻閃很有特異性，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。
　　編輯/李章