探測中微子

苗千

近年來，中微子卻越來越吸引起物理學家們的興趣。人們意識到，這種似乎不起眼的粒子可能幫助人們解開一些最重要的謎團。此時人們才發現，其實人們對于這種基本粒子，仍然知之甚少。

中微子并不稀少，這種粒子在宇宙中的數量僅次于光子，在地球表面每平方厘米的面積上，每秒鐘都有超過1000億個中微子以幾乎光速的速度穿過而從不會被人感知到。因為它這種極為懶惰、極少與其他粒子發生相互作用的性質，想要對它進行探測，了解它的性質就成為十分困難的事。

中微子的質量雖然極其微小，但是它可能擁有極高的能量。在2013年，位于南極的IceCube中微子實驗項目宣布他們發現了兩個具有超高能量的中微子，他們根據電視劇《芝麻街》的角色給這兩個中微子命名為“Bert”和“Ernie”。在2015年8月4日，IceCube的科學家們宣布又發現了一個具有更高能量的中微子，這個中微子因為其獨特的性質，相比于其他同樣來自外星系的宇宙射線中的帶電粒子，可能帶給人們更多的關于宇宙深處的信息。

人類意識到宇宙射線的存在已經有超過一個世紀的時間，這些帶電粒子從宇宙各處以不同的能量和速度到達地球。其中很多粒子在到達大氣層時具有地球上任何粒子對撞機中都無法達到的超高能量。至今為止，這些宇宙粒子大多從何而來，又是如何獲得如此的超高能量仍然是一個謎。目前宇宙學家們估計，這些宇宙粒子可能大多來自銀河系之外，而它們的超高能量可能來自以黑洞為中心的旋轉星系。

在宇宙空間的行進中，這些具有超高能量的帶電粒子的運行路線會受到宇宙中電場和磁場的影響，隨時可能發生偏轉，因此，很難通過捕捉到這些粒子來準確判斷它們的來源。這時，具有超高能量中微子的意義就顯得格外重要了，因為它們并不帶電，很少和其他粒子發生相互作用，它們的質量又極低，因此受到的引力作用都極小。即使它們穿過了整個星系，行進路線都可能只是受到極小的影響。宇宙學家們猜想，最新探測到的這個具有超高能量的中微子與其他具有超高能量的宇宙射線可能具有相同的來源，因此，追蹤這個中微子的來源，就可以找到這些宇宙射線的源頭。

中微子又分為電子中微子、muon中微子和tau中微子三種。在IceCube中微子實驗項目中，他們利用大量的冰塊作為中微子探測器。如果是電子中微子和tau中微子與冰塊中的粒子發生相互作用，就會發出閃光，但無法以此來判斷中微子的來源，而剛剛被發現的這個超高能量的中微子屬于muon中微子，它在與其他粒子發生相互作用時會釋放出一個tau中微子，從而留下了一條清晰的運行軌跡，這就可以讓宇宙學家們按圖索驥，追蹤到這個tau中微子的來源。

在地球上，人們同樣進行著大量的中微子實驗，這些實驗有關中微子最基本的性質。物理學家們一直懷疑中微子可能發生振蕩現象（neutrino oscillation），此前很多中微子實驗都發現過探測到的中微子比預期的要少，這可能是因為中微子在運行過程中發生振蕩成為其他類型的中微子而無法被探測到。2013年，在日本進行的T2K實驗第一次直接探測到了中微子振蕩現象，在探測一束發射出的muon中微子時，科學家們探測到了電子中微子，這成為中微子發生振蕩的最直接證據。

意大利格蘭·薩索國家實驗室的OPERA探測器

最近，在意大利的格蘭·薩索（Gran Sasso）國家實驗室進行的OPERA中微子地下實驗中，實驗人員首次證實了muon中微子可以振蕩轉變為tau中微子。在2008到2012年，從日內瓦附近的歐洲核子中心（CERN）向西南方向發射出muon中微子束，這些中微子在地球的地殼中運行了730公里之后，其中一部分被位于意大利地下的OPERA實驗的鉛探測器探測到。科學家們發現，其中的一些muon中微子轉變為tau中微子，而且它們在與其他粒子發生對撞之后產生了輕子（tau lepton）。這些輕子在一萬億分之一秒之內就會發生衰變，即使它們是以光速運行，也只行進了幾毫米而已，因此非常難以探測它們存在的證據。

OPERA實驗的科學家們在2014年發現了4個tau輕子存在的證據，但這還不足以說明是一個實驗發現。在2015年，科學家們又發現了一個tau輕子存在的證據，終于可以宣布實驗成功，正式宣布發現了muon中微子振蕩成為tau中微子的現象。

從此前被認為沒有質量到擁有質量，可以在三種類型之間發生振蕩，這些性質都是物理學家們此前沒有預料到的。中微子可以說是宇宙中最奇特、最神秘的粒子，而人們此時仍然對它的基本性質還沒什么了解。如果說探索中微子時代已經到來，那么這個時代有可能將會持續很長一段時間。

目前在中國、印度、美國和日本，都正在進行或是建設著中微子實驗項目，準備進一步研究中微子的性質，人們都希望能夠探測到更多的中微子，并且深入研究中微子振蕩的機制。關于中微子，還有些更基本的問題需要研究，這關系到物理學研究中一些最重要的問題。在中微子與反中微子之間的振蕩相互轉換，是否對稱？這個問題可能是解開宇宙中為何物質多于反物質之謎的鑰匙。另外，是否存在“sterile”中微子？在一些物理學理論中預測可能存在第四種，Sterile中微子，這種中微子比其他三種中微子更難以和物質發生反應，因此也就更難以探測。這種僅存在于理論中的粒子是否真的存在？這將是解開暗物質之謎的關鍵之所在。另外，在已知的三種中微子中，它們的質量關系如何？因為中微子質量太過微小，物理學家們至今都無法探測到中微子的確切質量。如果能夠精確探測出這三種中微子的質量，理清它們之間的關系，物理學家們就會有更多的線索在未來發展出一個可以統一四種相互作用的理論。

（本文寫作參考了《科學》雜志的報道）