盤點八個著名中微子實驗：未能真正挑戰相對論

1.日本Super-Kamiokande中微子實驗

中微子是一種極其微小的基本粒子。對于宇宙中的每一個質子或電子來說，可能都至少有10億個中微子。科學家們需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因為它們與物理學許多領域都存在緊密聯系。這種無處不在的粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內就開始存在，在元素的放射性衰變中、恒星的核反應中以及超新星爆炸過程中都會產生新的中微子。

美國費米實驗室“迷你升能器中微子實驗”項目發言人、物理學家比爾-路易斯介紹說，“它們是宇宙中的一種主要粒子，但我們至今對其知之甚少。”中微子之所以難以理解，主要原因在于它們幾乎不能與其他物質結合。與常見的電子不同的是，中微子沒有電磁電荷；它們質量非常輕，以致于科學家們長期以來一直認為它們根本沒有質量。探測它們需要緊密監測一大容器物質(如水)，中微子撞擊到其他粒子時，會產生可觀測到的變化。如，本圖所示的是日本Super-Kamiokande中微子實驗環境，研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個探測器由一個裝滿5萬噸水的大容器和11000多根光倍增管組成。

2.β衰變

科學家們最早是在β衰變過程中開始關注這種微型粒子的。20世紀初，研究人員注意到β衰變中的一些奇怪現象。如果釋放出來的粒子只有電子，那么β衰變這個過程似乎違背了物理學定律，即能量守恒和動量守恒。當時沒有人知道為什么會出現這種現象。然而，在每個新實驗結果中，違背物理學定律的證據變得越來越有力。

20世紀30年代，物理學家沃爾夫岡-保羅開始懷疑，核衰變過程可能比此前認為的更復雜。

如果一個原子在β衰變過程中也輻射出其他事物，那么這些違背物理學定律的矛盾就迎刃而解了。這種所謂的其他事物，應該就是中微子。

但是，如果中微子存在，它們必須非常輕，而且難以交互。沒有人看到過符合這種條件的粒子，也沒有人想到較好的辦法去發現它們。

在相當長一段時期內，科學家一直認為探測中微子是不可能的。

3.發現中微子實驗

1956年，研究中微子的物理學家們有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年內，美國人在原子武器項目中建起了多個核反應堆。許多研究人員認識到，這些核反應堆每秒每平方英寸內輻射出300萬億個中微子，因此可以用來探測中微子。盡管中微子很難與其他物質結合，但是也存在一種微弱的可能性，即存在足夠多的物質，一個中微子應該可以撞擊到某種事物。

在β衰變的反過程中，這種直接撞擊可以產生伽馬射線。當時，物理學家克萊德-科萬和弗里德里奇-雷恩斯研制一個探測器并置放到南卡羅來納州薩瓦那河電廠附近，只要反應堆開啟，他們的實驗就有可能首次探測到中微子。雖然科萬于1974年就已去世，但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎。

4.加拿大薩德伯里中微子實驗

幾乎所有的中微子都產生于太陽內部巨大的核反應堆中。天文學家希望能夠捕獲這些中微子，因為它們之中包含有太陽內部的重要信息。1964內，物理學家雷-戴維斯和天文學家約翰-巴卡爾在美國南達科塔州的霍姆斯塔克礦中建立起一個實驗環境用于發現這些中微子。這種探測器需要建于深深的地下，是因為闖入地球大氣層的宇宙射線可能會干擾實驗結果。

在霍姆斯塔克實驗環境建成并開始運行后，研究人員發現了一種奇特的現象。根據他們的計算，太陽的中微子應該比他們實際探測到的三倍還要多。因此，科學家們從頭再來，試圖尋找計算過程中的錯誤和漏洞，并更正估算結果。但是，他們仍然無法發現自己錯在哪里。霍姆斯塔克實驗運行了30多年，總是得出同樣的結果。天文學家懷疑自己的太陽模型可能是完全錯誤的。這一問題一直持續到上世紀90年代中期。這時，研究人員發現了中微子其實有三種不同的類型，β衰變過程中或太陽內部產生的中微子是電子中微子，而其他過程中產生的粒子則是緲子中微子與濤中微子，霍姆斯塔克實驗中探測到的就是電子中微子。在從太陽飛往地球的過程中，電子中微子會轉變成其他類型。因此，霍姆斯塔克實驗就無法探測到其他兩種中微子。

隨著新探測器的出現，三種中微子都被探測到，那這種謎團就不再存在。這一發現意義重大。此前，一些科學家認為中微子沒有質量，而不同類型中微子之間的轉變需要粒子擁有質量。2001年，加拿大薩德伯里中微子實驗室探測到所有三種來自太陽的中微子。

5.IMB探測器

上世紀80年代，科學家被一個與中微子無關的問題所困擾。一些理論家認為，被公認為穩定的粒子--質子應該可以衰變成更輕的亞原子粒子。如果這一說法正確，那么這將是物理學家長期以來夢寐以求的結果，從而可以形成一個統一的理論，將電磁作用力、強作用力和弱作用力理論融合在一起。如果質子會衰變，這將會對地球上的生命造成很大的麻煩，人體內的原子可能混亂地轉變成其他元素。因此，理論家認為，質子可能會衰變，但速度極為緩慢，時間表甚至比宇宙年齡的20個數量級還要長。

為了驗證這一結論，科學家們在一個盛滿水的大容器中監測質子的數量。為了保證實驗不受干擾，實驗環境必須建設于地下。闖入大氣層的宇宙射線也可能會產生中微子，這些中微子可能會進入地下。由于穿過探測器的中微子看起來非常像一個衰變的質子，因此研究人員需要弄清楚他們可能會看到多少中微子。在測量過程中，科學家們發現了非常怪異的現象。來自實驗環境以上的中微子要遠遠多于下部抵達的中微子，比例大約是2：1。歷經10年的困擾，科學家們終于發現，中微子在飛行過程中，來自地底的中微子有時間轉變成不同類型的中微子，由于實驗設備只對一種中微子敏感，因此就錯過了發生變異的其他中微子。這一發現證明了中微子在長距離飛行過程中會發生性質的轉變。

本來用于探測質子的實驗，發現了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然沒有人能夠發現質子衰變。本圖所示，一名潛水員在俄亥俄州的IMB探測器中游泳。這個探測器建造于上世紀80年代初，本來用于探測質子是否衰變，反而幫助科學家發現了大氣中微子的振蕩。

6.液體閃爍器中微子探測器實驗

1993年，科學家們在洛斯阿爾莫斯國家實驗室中建造了液體閃爍器中微子探測器。他們的目標就是弄清楚中微子是否能夠從一種類型轉變成另一種類型。液體閃爍器中微子探測器的著名之處在于它發現了電子反中微子。對于這一怪異的發現，最好的解釋就是新的物理學發現。液體閃爍器中微子探測器的發現表明可能存在第四種或更多類型的中微子。第四種中微子的存在將對現有的粒子物理學模型發起巨大的挑戰，但它也可以用來解釋某些未解謎團，如超新星爆炸的細節等。不過，許多研究人員仍然對液體閃爍器中微子探測器的發現持懷疑態度，這一發現又成為中微子物理學中的一大謎團。

7.迷你升能器中微子實驗

從2002年起，美國費米實驗室科學家開始啟動新的探測實驗--“迷你升能器中微子實驗”，該實驗的目的就是證實或否定液體閃爍器中微子探測器實驗的發現成果。他們最初的結果似乎證明液體閃爍器中微子探測器實驗結果有誤，但是進一步的實驗數據發生了變化。“迷你升能器中微子實驗”項目發言人、物理學家比爾-路易斯介紹說，“現在看起來，迷你升能器中微子實驗與液體閃爍器中微子探測器實驗的結果是一致的。”兩大實驗的結果表明，仍然存在許多怪異現象。中微子科學家們需要建造更多的探測器和實驗設施去解答這些謎團。

8.長基線中微子實驗

為了完全揭開中微子之謎，科學家們需要新一代的探測設備。美國科學家們希望能夠獲批建造長基線中微子實驗設施，他們通過這一實驗或將能夠回答一個深奧的問題：宇宙為什么是由物質組成的，而不是反物質。這一設施將產生世界上強度最高的中微子束，并將它從美國費米實驗室發送到南達科塔州的霍姆斯塔克礦中。盡管這一實驗設施尚未正式獲得批準建設，但該實驗已吸引了400多名科學家簽約加盟。