“隱形人”中微子“現身”

2012年3月8日，973計劃項目首席科學家，大亞灣中微子實驗國際合作組王貽芳在北京宣布：大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振蕩，并且測量到了其振蕩幾率。這一消息的發布，整個物理學界頓時熱血沸騰，意味著人類了解宇宙的旅程又進了一步。

中科院理論物理所研究員李淼稱，這是一個諾貝爾獎級別的成果，因為對中微子振蕩前兩種模式的研究都獲得了諾貝爾獎。并且美國杰佛遜國家加速器實驗室副主任羅伯特·麥克歐文說，這是中國本土迄今為止最重要的物理學成果。

1930年，在研究β衰變（中子在衰變成質子和電子）時，發現了能量會出現虧損。當時物理學上著名的哥本哈根學派鼻祖尼爾斯·玻爾據此認為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

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。

泡利預言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。1933年這種粒子正式命名為中微子，1956年才被觀測到。

中微子被發現后，科學家們就將其稱為“是一件令人興奮的真正的科學奇談”。中微子是構成物質世界的基本粒子之一，與其他粒子相比，它個性十足，不帶電，質量極小，幾乎不與其他物質作用，在自然界中廣泛存在。

太陽內部核反應產生大量中微子，每秒鐘通過我們眼睛的中微子數以十億計。中微子能以光速貫穿地球如入“無物之境”，且不帶來任何影響，因此被稱為“幽靈粒子”或者“鬼粒子”，有的人也把它稱為“隱身人”。

在100億個中微子中只有一個會與物質發生反應，這使得它的檢測非常困難，以致于在1956年才被觀測到。這項試驗由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。

中微子是一種難以捉摸的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、μ（繆）中微子和τ（濤）中微子。1968年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯首次發現，來自太陽的電子中微子數目比理論預言的要少。難道中微子在飛行的過程中消失了？這個現象，就被稱作“太陽中微子消失之謎”。

后來，科學家進行很多實驗，證實了這一現象的存在。于是人們判斷，這是因為在飛行中，部分電子中微子變成了其他類型的中微子，就像川劇里的“變臉”一樣，這就是中微子振蕩。

三種中微子類型可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型。根據預測，三種中微子互相“變臉”，兩兩組合，應有三種模式。第一種模式就是前面提到的“太陽中微子消失之謎”，1998年發現了第二種振蕩模式為μ中微子和τ中微子組合振蕩，被稱為“大氣中微子之謎”。第三種振蕩模式遲遲未被檢測到，曾一度被認為第三種振蕩根本不存在。而在2012年，大亞灣中微子實驗發現了這第三種振蕩模式，即電子中微子與τ中微子組合振蕩。

簡單地說，與中微子混合有關。中微子的混合規律里有6個參數，其中三種混合模式各有相對應的混合角θ12、θ23、θ13。這些混合角的含義說來話長，但都是基本的物理學常數，在深層次上，與宇宙中的物質起源有關。大亞灣中微子實驗就測量出了θ13。

距離第二種振蕩模式發現之日已有十幾年，科學家都開始以為第三種振蕩模式不存在，但是仍未放棄。在這場科學賽跑中，大亞灣實驗室與其他對手相比，并非是出發最早的，但卻是跑得最快的。

王貽芳曾在1990年代表參與過美國的Palo Verde中微子實驗。該實驗的初衷雖并非是θ13，但卻是世界上對θ13最早的一次探索。

2003年前后，為測量θ13，國際上先后有7個國家提出了8個實驗方案。那時，大亞灣實驗還只是一個構想，停留在王貽芳和同事們的口頭描述中。但到 2006年底，由中國主導、中美兩國合作，100多位科學家參與的大亞灣中微子國際項目正式啟動，這也是美國能源部在基礎研究領域對外投資第二大的國際合作。2007年10月，大亞灣核反應堆300米外響起第一聲炮，隧道開挖。

為了最大程度地屏蔽各種干擾，實驗選擇了大亞灣核電站。大亞灣背靠青山，可以更好地屏蔽外來粒子的干擾。探測廳建在地下，實驗中用的鋼材都是特制的，直徑5米、高5米的巨大圓柱形探測器，被浸在一個更大的水池中。

科學家們在離反應堆較近的兩個探測廳中，各放兩個探測器，在1700米之外的遠點探測廳，布置4個探測器。大量的中微子穿過探測器，與其中的特殊物質——液體閃爍體(以下簡稱“液閃”)發生反應，就會發出微弱的光，再轉變成電信號，被儀器記錄下來。如果近點探測器和遠點探測器的結果明顯不同，就說明中微子在這段旅程中“變臉”。

由于中微子幾乎不與物質發生反應，所以需要一個足夠靈敏、體積足夠大的探測器，來捕捉它們的痕跡，因此探測器中與中微子發生反應的液閃的研制尤為重要。在此次試驗中液閃是由中國自主研制的。

按實驗要求，液閃需要在與中微子“互動”的同時保持穩定。這在技術上有不小的困難，以前國際上的類似實驗均有液閃不穩定的記錄，甚至有整個裝置提前報廢的先例。在此次項目中，美方合作者也表示能夠研制液閃，但是最終，中方的液閃要比美方的在光學特性和穩定性上更好。

近4年的醞釀，3年的建設，1年的安裝，而55天，才是進行實驗的真正時間。2011年12月24日，大亞灣的探測器剛開始取數據。這正是大亞灣實驗的優點：高效。

早在2011年6月15日，日本T2K中微子實驗發表了θ13的測量結果，置信度有2.5個標準差。按慣例，置信度在3個標準差以下的測量結果叫跡象，處于3～5個標準差之間的結果叫證據，超過5個標準差的實驗結果才叫發現。因此，T2K的這個結果只能被稱作“跡象”，即便如此，這一研究仍被歐洲的《物理世界》列為2011年“十大物理突破”的第7位。后來，美國與法國也相繼發布了兩個類似的數據，但都因為置信度不高而未獲認可。

2012年3月8日，大亞灣實驗測出的θ13值為8.8度，置信度有5.2個標準差，意味著它可以被明確稱作為“發現”。

鑒于θ13在揭示中微子振蕩CP相位角破壞的特殊重要性，美國物理學會曾在2004年在報告中將用反應堆實驗測量θ13作為未來試驗的“第一優先”。

國際上在2003年以來，先后有7個國家提出了8個實驗方案，最終進入建設階段的有3個，包括中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。

在激烈的國際競爭中，王貽芳領導的大亞灣實驗團隊克服了重重困難，完成了探測器的建造與安裝、實驗數據的獲取、刻度、修正和數據分析等，率先取得重大成果。

此舉“使中微子物理學研究堅定地駛上了快車道”，同時也把中國粒子物理學研究水平推向世界最前沿。甚至有觀點認為王貽芳團隊有望摘得諾貝爾物理學獎。

諾貝爾物理學獎分外青睞中微子研究領域，在這個領域已經產生3個諾貝爾物理學獎。但中科院高能所實驗物理中心曹俊研究員清醒地指出，諾貝爾物理學獎一般是給意想不到的發現，前兩次獲得諾貝爾獎是因為發現新的中微子，第三次獲諾貝爾獎是因為首次發現中微子振蕩。

與它們相比，這個實驗分量要輕，能被美國《科學》雜志評為今年的10大科技突破，但可能夠不上諾貝爾獎。

當然，曹俊也表示，大亞灣實驗還在繼續，如果運氣夠好，能發現什么反?，F象，得出出人意料的成果，也可能獲諾貝爾獎。

在大亞灣中微子發現第三種振蕩模式以前，六個參數還有兩個參數即θ13，CP破缺的相位角DCP未被發現。但是在輕子部分，CP破缺的物理效應都含有因子θ13。故θ13能不能被發現，決定著CP破缺的相位角DCP能不能被發現。

中國物理學家在大亞灣中微子實驗室發現第三種振蕩模式后，就為下一步中微子實驗定下了方向?！八粌H僅是一個參數，而是一個入口”，美國費米國家實驗室物理學家羅伯特·普倫吉特說。

CP破缺的相位角DCP，這是一個非常關鍵的參數。它揭示了物質與反物質的關系，科學家認為，宇宙誕生之初曾經產生了等量的物質與反物質。后來，由于某種原因，大部分反物質轉化為物質。這種原因有很多解釋，但尚未確認。

物質與反物質的結合，會如同粒子與反粒子結合一般，導致兩者湮滅，并釋放出高能光子、伽瑪射線，這也是大爆炸理論的依據之一。

因此發現了θ13，對理解物質與反物質之間的不對稱性，也就是解開“反物質消失之謎”， 對科學家進一步深入研究宇宙奧秘，具有深遠的意義，是我國物理學研究的一個新的里程碑。

除此以外，由于中微子的個性特點，它能以近光速進行直線傳播，并極易穿透鋼鐵、海水，以至整個地球，而本身能量損失很少，因此是一種十分誘人的理想信息載體。

采用中微子束通信，則將為海軍對潛艇進行保密通信提供強有力的手段。即使是發生了熱核戰爭，安置在巖石深處的指揮部的中微子束發射機，也不會受到原子彈的破壞，維持正常工作。

地質學家用中微子波束可給地球拍照，尋找地殼中的礦藏資源。中微子通信除用于全球人類通信外，還可以穿透月球，與月球背面的空間站聯系，或者作為“特殊信使”，遨游太空，與在宇宙中飛行的宇宙飛船直接聯系，為進一步探索宇宙服務。

科學家還設想發射中微子訊號讓它在太空中穿行，去尋找外星人。