幽靈粒子不再詭譎

錢煒

中科院高能物理所所長王貽芳的辦公室并不好找，它藏于北京西郊的校園深處，就和他在廣東大亞灣地下30米深處進行的實驗一樣，長期處于大眾視線之外。而這一次，他卻突然間曝光在聞訊而來的各路媒體的聚光燈下。

3月8日，由中國科學家主導(dǎo)的大亞灣國際實驗測得新的中微子振蕩模式，即θ13。消息傳出，國人振奮，媒體紛紛詢問，這個發(fā)現(xiàn)是什么？意味著什么？王貽芳認為，要向科學界以外的大眾說清楚這事，起碼得先講上一堂課。作為炙手可熱的當代物理學前沿，中微子似“美人如花隔云端”，人們只知其芳名而看不清她的容顏。

坐在寬敞的辦公室里，王貽芳向《中國新聞周刊》記者講述了這個極其微小、此刻卻可能正在穿過我們身體的神奇粒子的故事。

θ13是什么

在過去半年中，中微子曾數(shù)次占據(jù)了科學新聞的頭條，足見該領(lǐng)域研究之熱。其實，自1930年，美籍奧地利科學家沃爾夫?qū)づ堇状翁岢鰬?yīng)當存在一種質(zhì)量很小的中性粒子這個“中子假說”以來，中微子就迅速成為粒子物理學家、天體物理學家和宇宙學家們競相追逐的寵兒。

中國科學家在中微子領(lǐng)域一直表現(xiàn)不俗。泡利從理論上提出中微子后，物理界就掀起了一場尋找中微子的熱潮。1941年，尚在抗日戰(zhàn)爭中顛沛流離的中國物理學家王淦昌就在貴陽的病榻之上寫出《關(guān)于探測中微子的一個建議》一文，次年發(fā)表在美國《物理評論》上。可惜由于時局動蕩，當時國內(nèi)根本不具備進行實驗的條件。同年，美國物理學家艾倫就根據(jù)王淦昌的方案做了實驗，首次證實了中微子的存在。

中微子被發(fā)現(xiàn)后，科學家們就將其稱為“是一件令人興奮的真正的科學奇譚”。雖然是組成物質(zhì)世界的基本粒子，和其他粒子相比，它卻個性十足：不帶電，沒有大小，沒有靜止質(zhì)量，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，能以光速貫穿地球如入“無物之境”，因此被稱為“幽靈粒子”。

而后來的發(fā)現(xiàn)令科學家們堅信，把中微子叫做“幽靈粒子”更是一點沒錯。中微子分為三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。1968年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯首次發(fā)現(xiàn)，來自太陽的電子中微子數(shù)目比理論預(yù)言的要少。難道中微子在以光速飛行的過程中消失了？這太令人難以置信了！這個現(xiàn)象，就被稱作“太陽中微子消失之謎”。

后來，很多科學家進行了實驗，證實了這一現(xiàn)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，這就是大名鼎鼎的中微子振蕩。根據(jù)預(yù)測，三種中微子互相“變臉”，兩兩組合，應(yīng)有三種模式。

中微子為何會“變臉”？簡單地說，與中微子混合有關(guān)。中微子的混合規(guī)律里有6個參數(shù)，其中三種混合模式各有相對應(yīng)的混合角θ12、θ23、θ13。這些混合角的含義說起來話長，但都是基本的物理學常數(shù)，在深層次上，與宇宙中的物質(zhì)起源有關(guān)。

后來，日本科學家小柴昌俊通過對大氣中微子振蕩的研究，驗證了中微子振蕩，并找到θ23，多位科學家繼續(xù)研究太陽中微子振蕩，測出了θ12。由于戴維斯與小柴昌俊在中微子方面的杰出研究，二人共同獲得2002年諾貝爾物理學獎。值得一提的是，中國科學家唐孝威曾計劃與小柴昌俊合作進行這項實驗，但由于國內(nèi)決策層并不重視，合作擱淺，中國人因而與諾獎擦肩而過。對此，中科院高能所何景棠曾撰文回憶了這樁往事的經(jīng)過。

然而，θ13卻遲遲沒有找到，甚至有人說，θ13根本不存在，即為零。但科學家們并未放棄，他們?nèi)栽趯ふ疫@最后一個調(diào)皮的混合角。

θ13是如何找到的

在θ13引發(fā)的物理界的這場賽跑中，與其他幾個對手相比，大亞灣實驗并非是出發(fā)最早的，但卻是跑得最快的。

王貽芳曾在1990年代參與過美國的Palo Verde中微子實驗。該實驗的初衷雖并非θ13，但卻是世界上對θ13最早的一次探索。因此，對大亞灣實驗?zāi)芊裾业溅?3，王貽芳胸有成竹。但能夠贏得這場比賽，卻是意料之外。談話間，他嘴角上揚，抑制不住內(nèi)心的喜悅。

為測量θ13，2003年左右，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(gòu)想，停留在王貽芳和同事們的口頭描述中。當時看上去最有希望“奪寶”成功的，是法國的Double Chooz實驗，因為他們已經(jīng)有現(xiàn)成的隧道和遠地探測廳，只需再在核電站附近一兩百米的地方挖個洞，就能立即開始實驗。但在核電站附近挖隧道并不是件容易的事，涉及很多現(xiàn)實的因素。據(jù)最新消息，法國人要到今年年底才能建成近地探測廳。

2006年底，由中國主導(dǎo)、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(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)ν馔顿Y第二大的國際合作。2007年10月，大亞灣核反應(yīng)堆300米外響起第一聲炮，隧道開挖。

核反應(yīng)堆是科學家青睞的中微子源，在大亞灣核電站附近，每秒流過的中微子數(shù)量，多達10的21次方。而相比平原核電站，大亞灣由于背靠青山，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，這一切，都是為了最大程度的屏蔽各種干擾。“我們就是要做一個本底非常干凈、經(jīng)得起考驗的實驗，這樣即使測到的θ13值比較小，也是精度相當高的。”王貽芳說。

科學家們在離反應(yīng)堆較近的兩個探測廳各放了兩個探測器，在1700米之外的遠點探測廳布置了4個探測器。大量的中微子穿過探測器，與其中的特殊物質(zhì)——液體閃爍體（以下簡稱“液閃”）發(fā)生反應(yīng)，就會發(fā)出微弱的光，再轉(zhuǎn)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(jié)果明顯不同，就說明中微子在這段旅程中“變臉”。

經(jīng)過近4年的醞釀、3年的建設(shè)、1年的安裝，而55天，才是進行實驗的真正時間。這正是大亞灣實驗的優(yōu)點：高效。

當法國的Double Chooz實驗步履蹣跚時，韓國的RENO實驗又成為大亞灣項目最有競爭力的對手。2011年12月24日，當大亞灣的探測器剛開始取數(shù)據(jù)時，韓國RENO實驗已經(jīng)進行了4個月，而他們至今尚未公布結(jié)果。王貽芳說，由于數(shù)據(jù)量足夠大，大亞灣實驗的一個月就頂?shù)蒙蟿e人三個月以上。這其中，探測器是關(guān)鍵。由于中微子“生性孤僻”，幾乎不“理睬”其他物質(zhì)，這就需要一個足夠靈敏、體積足夠大的探測器來捕捉它們的痕跡。

令王貽芳自豪的是，探測器里最關(guān)鍵的部分——液閃是由中國科學家自主研制的。按實驗要求，液閃需要在與中微子“互動”的同時保持穩(wěn)定。這在技術(shù)上有不小的困難，以前國際上的類似實驗均有液閃不穩(wěn)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(wěn)定性上都更好。

要想加大探測器的規(guī)模，通常的辦法，是將一個探測器做得盡量大，但王貽芳改變了策略，在遠廳里放了4個同樣大的探測器。“這樣做的一個額外好處就是，4個探測器各自獨立，可互相檢驗，降低了實驗的誤差，提高了實驗的準確度與可靠性。”

2011年6月15日，日本T2K中微子實驗發(fā)表了θ13的測量結(jié)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(jié)果叫跡象（hint），處于3～5個標準差之間的結(jié)果叫證據(jù)（evidence），超過5個標準差的實驗結(jié)果才叫發(fā)現(xiàn)（discovery）。因此，T2K的這個結(jié)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》列為去年十大物理突破的第7位。后來，美國與法國也相繼發(fā)布了兩個類似的數(shù)據(jù)，但都因為置信度不高而未獲認可。

大亞灣實驗測出的θ13值為8.8度，置信度有5.2個標準差，也就是可以被明確稱作“發(fā)現(xiàn)”。結(jié)果發(fā)布當天，中科院理論物理所研究員李淼就說，這是一個諾獎級別的成果，因為對中微子振蕩前兩種模式的研究都獲得了諾貝爾獎。

但王貽芳對此保持冷靜，“說我們可以得諾貝爾獎，這有些過譽了。2002年中微子振蕩獲獎，是原創(chuàng)性的，證實了中微子振蕩的存在，我們只是在繼續(xù)推進而已。”

發(fā)現(xiàn)θ13意味著什么

然而，θ13 的發(fā)現(xiàn)，仍意義重大。“它不僅僅是一個參數(shù)，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，θ13的找到，為下一步中微子實驗定下了方向。

到大亞灣實驗為止，中微子混合規(guī)律里的6個參數(shù)，已經(jīng)找到了5個，只剩下最后一個CP破壞的值沒有確定。這是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，它將揭示物質(zhì)與反物質(zhì)的關(guān)系。

按照大爆炸理論，在宇宙誕生之初，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該一樣多，但很快，物質(zhì)統(tǒng)治了世界。反物質(zhì)的消失，有各種解釋，其中一種主流解釋就是反物質(zhì)的衰變要比物質(zhì)快。

而體現(xiàn)物質(zhì)與反物質(zhì)衰變差別的參數(shù)，就是CP破壞。這個參數(shù)正好在中微子振蕩里出現(xiàn)。如果通過研究中微子振蕩找到CP破壞，人們就能知道物質(zhì)與反物質(zhì)究竟誰衰變的更快，有多快。

而θ13則是CP破壞的好“姐妹”，在中微子振蕩這一物理過程中，它們是兩個始終相乘的參數(shù)。如果θ13的值很小或者為零，那么CP破壞也就無法確定或者不存在。因此，θ13的找到，為尋找最后這個關(guān)鍵參數(shù)鋪平了道路。

然而，尋找CP破壞要比發(fā)現(xiàn)θ13難得多。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子在振蕩過程中沒有CP破壞，只有源于加速器的中微子振蕩才有這一參數(shù)。問題是，做一個加速器中微子實驗實在太燒錢了。

王貽芳說，目前，中國只有高能所在廣東建有一個散裂中子源，它類似于中微子實驗所需要的加速器，但功率只有0.1兆瓦，造價高達18億人民幣。而日本的T2K中微子實驗正好是基于加速器的，其功率為1兆瓦。因此，中國目前尚沒有能力進行尋找CP破壞的實驗。世界上有能力做加速器中微子實驗的，有美國、日本和歐洲的核子中心三家。王貽芳認為，其中日本的T2K實驗最有希望首先找到CP破壞。

“這是中國本土迄今為止最重要的物理學成果”，大亞灣中微子實驗國際合作組成員、美國杰佛遜國家加速器實驗室副主任羅伯特·麥克歐文說。