大亞灣實驗:辨析希微于九地之下

陳方正

大亞灣在深圳東邊，有大小梅沙兩個海灘，風景絕美，可是香港人對之總是神經兮兮，原因自然是那里的核電站，它們離香港只有50公里，因此在80年代建造之初曾經引起軒然大波，鬧得滿城風雨；去年日本福島核電站事故爆發，又掀起新一輪恐慌。可是，上月大亞灣出現了正面的大新聞，卻引不起公眾興趣，在香港，在大陸都一樣。這自然是因為它專業性太強，意義不容易說得清楚的緣故。其實，這新聞是中國科學走向成熟和國際化的一個重要里程碑，是很值得關注和了解的。

中國實驗科學的里程碑

到底是什么新聞呢？簡而言之，就是一個以中國科學院高能物理研究所為首的龐大國際組合（包括中國大陸和港臺地區、美國、俄羅斯、捷克的38支隊伍，統共兩三百人之多）利用大亞灣6個核電反應堆所產生的大量中微子，做了一個清晰可靠的實驗，證明目前所知道的3類中微子（e, mu, tau）之中的 e中微子的確有所謂“短程振蕩”。也就是說，飛行的e中微子會在一兩公里那么短的距離自然地變換為mu和tau中微子，然后又變換回原來的e狀態，如此周而復始，循環不息。其實，中微子之間的“長程”（數十以至數百公里）振蕩，以及（mu, tau）中微子對之間的短程振蕩都早已經測定了。所以，平心而論，這個發現只是人類探索物質基本結構漫長進程中的小小一步 （雖然如下面所提到，它很可能還有更重要意義），但對于中國來說，則無異是開天辟地第一步，是趕在法國、韓國等競爭對手之前完成的。這樣，從80年代建造對撞機至今，經過30年努力，中國也終于在最前沿、最基本的粒子物理學實證工作上，作出決定性貢獻了。

要真正明白這貢獻的意義，還得從中微子的歷史說起。人類所知道的第一顆微觀粒子是電子，它是1897年發現的；跟著光子、質子、中子相繼發現，它們全都是憑很清晰的實驗來證明的。中微子卻是1930年左右提出來，用以解釋beta衰變過程某些特點（即能量似乎不守恒）的假設性粒子。此后由于理論上的重要性，它逐漸被接受，但始終缺乏實驗證明，直到1956年方才有人利用核子反應堆所產生的巨量中微子流而把它“逼出來”。實驗困難的基本原因在于：它既沒有像光子那樣的電磁作用，也沒有像質子、中子那樣的“強作用”，而只有極其微弱的“弱作用”，因此和其他物質的作用微弱到幾乎等于零：它即使穿越了一光年（3×1018厘米）那么厚的鉛板，平均也只會發生一次反應！然而，微觀物理規律又具有奇妙的統計性質，所以，倘若有大量中微子（例如3×1018顆）碰到幾米厚的探測物質，那么也盡有可能發生反應。中微子最初是在加拿大沙文那河谷（Savannah River）反應堆發現的，那里的中微子流達到1013 每秒每平方厘米，所以用大體積探測器并經過長時間觀測，就得到了中微子存在的證據。

在過去半個世紀，中微子物理學又經歷了兩次革命。第一次是3種不同中微子的發現。上面所說的中微子是在beta衰變中伴隨電子出現的，稱為e中微子。但電子還有兩個“大哥”，即是質量較大，性質卻基本相同的mu和tau粒子，這三者統稱為“輕子”（lepton）。奇怪的是，伴隨這“3兄弟”出現的中微子各具不同反應性質，因此它們并不是相同粒子，分別稱為e、mu和tau中微子。第二次革命則是中微子“震蕩”的發現。大約從五十年代開始，太陽內部產生能量的各種核反應已經研究得很清楚。我們因此知道，太陽正如一個超巨大核子反應堆，會不斷產生和發射大量中微子（而且都是e-中微子），那即使在地球上，也還可以探測到。然而，多年的實際觀測卻顯示，太陽中微子流（即每秒流經單位面積的數目）要比理論預言的少一大截。這個謎團終于在2000年左右解開：通過加拿大和日本兩地的大規模實驗，證明從太陽飛來的，不但有e中微子，還有大量mu和tau中微子。換而言之，“失蹤”的太陽e中微子是在飛往地球途中，通過“振蕩”而變換成為其他兩類中微子了。

所謂“振蕩”，是指粒子在不同狀態（不同類中微子可以視為處于不同狀態的中微子）之間的來回變換，而且，它是和這些狀態的微小質量差別密切相關的。因此，“振蕩”的存在，意味中微子必然具有靜止質量（本來我們以為它是零），雖然那極其微小，只相當于最輕的粒子即電子的百萬分之一以下。復雜的是：在e、mu、tau等狀態的中微子并沒有確定的質量，它們其實是標簽為1、2、3等另外3種中微子狀態的組合，后面三類狀態方才有確定質量。總的來說，實際上一共有6個有關中微子的物理量需要決定：即每一對狀態的質量平方差，那決定振蕩的頻率；以及它們的相對“相角”（phase angle），那決定振蕩的幅度，即變換的最大或然率。通過10多年的努力，這6個物理量基本上都已經測定，唯一剩下的就是第1和第3中微子狀態之間的振蕩相角theta-13。多年來它的數值被認為很小，甚至可能是零。大亞灣實驗所做的，就是測定這相角（實際上是它雙倍的正弦函數之平方），證明它雖然只有8.8度，但并不是零。這特殊相角并不“消失”有很深遠的重要性：它使得CP-對稱有可能在中微子振蕩中不守恒，而這又可能令我們了解，為何宇宙間物質和反物質的數量不對稱，也就是為何宇宙絕大部分是由物質構成。

科學的無用之用

這實驗是怎樣做的呢？基本構想非常簡單，就是分別在離大亞灣核電站大約0.5~0.6公里和1.6公里的3個地下實驗室，探測核電反應堆所產生的e中微子流，消除幾何因素之后，從它的遞減（測定結果大約是6%）就可以把相角theta-13推斷出來。這貌似簡單的構想實行起來卻非常困難，主要原因在于所要觀察的效應極小，而干擾訊號（主要來自宇宙射線）的雜音則極大，這是以前多個實驗都得不到確定結果的原因。大亞灣實驗所以能夠成功，主要靠兩個先天優勢：首先，那里的核電站功率在世界前列，產生的中微子流很強。更具決定性的是，核電站位于高山旁邊，因此可以挖隧道到山腹中間開辟實驗室，這樣探測器可以得到100~300米厚的巖石覆蓋，大大減低了宇宙線的干擾。當然，要充分發揮這優勢，精密設計和最先進儀器的應用也不可或缺，那就是為何需要龐大經費（單是探測儀器已需好幾億人民幣），以及多國（地區）、多隊伍合作的理由了。老子有云：“視之不見名曰夷，聽之不聞名曰希，搏之不得名曰微。此三者不可致詰，故混而為一。”這應該說是古代思想與中微子性質（包括它的類別、難以捕捉和能夠相互轉變）最貼切、最奇妙的不謀而合。而孫子說“善守者藏于九地之下”，像日本的“超級神田”中微子探測器放在地下一公里的礦坑，大亞灣的中微子實驗室藏身山腹，也都可謂九地之下的希微探究了。

中微子物理學是物質最根本結構探索的一部分，它從30年代發端，至今已經有80年歷史，其間吸引了無數第一流心智為之廢寢忘餐，所耗費資源也不斷猛增，以至今日每個實驗動輒以十數億元計算。但這一切為的究竟是什么呢？在西方，探究宇宙奧秘自古以來就是大傳統，它起源于對永生的盼望，其后則演變為一種理念，一種不計較實用價值，以智能、知識本身為目的的追求。這觀念直到17世紀培根提出“知識就是力量”的口號方才轉變。從那時開始，純科學就顯示出它的實際意義，帶來無窮力量與財富了。自“五四”運動以至今日，中國人對科學的向往，都是從這角度出發的。然而，最奧妙尖端的科學，是否一定有實際用途呢？誠然，像相對論、正電子、原子裂變這些一度被認為無用的理論、發現，今日都已經成為科技應用的核心部分，甚至像時空彎曲那樣深奧、微妙的理論，也成為衛星定位技術所必需了。然而，即使如此，我們無疑仍然可以追問：像中微子那樣虛無縹緲，不可捉摸的粒子，或者像夸克(quark)那樣永遠被“幽禁”，絕對無法直接觀察的事物，除了作為物理學的基礎觀念以外，還真能有其他用途嗎？像宇宙膨脹、黑質量、黑能量那些百十萬光年之外的事物，又能夠對我們這渺不足道的地球和人世，產生什么直接影響嗎？答案可能都是“的確沒有，也不能”—雖然這一切可能就在明天，以絕對意想不到的方式改變！但在今天，我們能夠說的只是：無論如何，宇宙的根本探索還是值得，還是重要的，因為滿足無窮好奇心，也就是對純粹知識的恒久追求，是人類文明最根本的動力之一。

后記：此文蒙香港中文大學物理系朱明中教授細讀并提供寶貴意見，謹此致謝。朱教授不但直接參與大亞灣實驗，而且在2003年即與中文大學、香港大學以及加州大學伯克萊分校的同行朋友共同推動此實驗的開展。