中微子：穿越地球的精靈

10月6日，日本研究者梶田隆章和加拿大研究者阿瑟·麥克唐納因在發現中微子振蕩方面作出的重要貢獻，而摘得2015年諾貝爾物理學獎。

那么，中微子振蕩到底是個啥？

開啟物理新世界的鑰匙

要了解中微子振蕩，就必須先知道“標準模型”。在粒子物理中，該理論模型被用來描述各個基本粒子和它們之間的相互作用。標準模型對夸克、輕子等的預言十分準確，特別是前幾年拿了諾獎的上帝粒子——Higgs粒子就是標準模型中預言的最后一種粒子。

然而，“王冠下的腦袋總是難以安穩”，莎士比亞的這句話，同樣可以送給今天粒子物理學的標準模型。雖然在過去的幾十年間，標準模型獲得了巨大的成功，不過它也有一些小小的瑕疵，就像19世紀末的經典物理學一樣，標準模型無法描述暗物質的存在，也無法描述暗能量是個什么東西，不過，畢竟暗物質和暗能量還沒有被正式發現，標準模型還不需要太“擔心”。

但人們并未滿足，反倒更為迫切地希望將標準模型拉下馬來，去尋找那些超越它的嶄新物理篇章?！皹藴誓Ｐ途褪橇Ｗ游锢韺W，”諾貝爾獎得主杰克·施泰因貝格說，“但很多問題目前仍無望回答?！?/p>

而消解這些難題需要新的物質。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表現得基本上中規中矩，也許通向標準模型之外的物理新世界的鑰匙并不在它身上，而藏身于另一種粒子：中微子。

會“變臉”的精靈

中微子是宇宙中大量存在的一種不帶電的基本粒子，它和電子、夸克一樣，是宇宙的基本組成單元。

中微子的質量極其輕，但穿透力極強，可以跨越洲際乃至星際，完成“超長途旅行”。實際上，每秒鐘都有上百萬個太陽中微子自由地穿透每個人的身體，加上其他來源的中微子，一秒之內便有幾萬億個穿過人體。

以不同“味道”區分的3種中微子（電子中微子、繆子中微子和陶子中微子），就像是狡黠多變的精靈，它們在飛行的過程中會不斷變身，從一種味道轉變成另一種味道——在物理學的術語里，這被稱為“中微子振蕩”。這一奇妙的振蕩過程，攜帶著微觀世界的諸多奧秘。

中微子振蕩現象，是2002年諾貝爾物理學獎的獲得者美國科學家戴維斯于上世紀60年代首次發現的，它是目前唯一直接超出標準模型的實驗結果。標準模型要求中微子的靜止質量嚴格為0，它們要遵循輕子數守恒，不能相互轉變。但實驗卻發現，不同代的中微子之間是可以互相轉變的，這就是所謂的“中微子振蕩”。這種現象要求中微子具有質量，因此超出了標準模型。

簡單地說，一個核反應堆如果產生了100個反電子中微子，當我們在1公里外觀測時，只能看到95個，另外5個轉換成了繆子中微子和陶子中微子。

打個形象的比方，假設中微子是一群普通青年，他們“十一”期間去郊游，到了目的地卻發現人只剩下1/3，其余2/3都消失了，這就是中微子丟失之謎。后來，人們發現普通青年沒丟，只是變成了文藝青年和2B青年，這就叫中微子振蕩。

解開反物質消失之謎

目前，中微子是粒子物理的一個熱點研究領域，很有可能是下一代物理的突破點。我國在這個領域已處于世界前列：2007年，我國開始建設大亞灣中微子實驗，研究距離核反應堆2km處的中微子振蕩；2012年3月，我國在全球首次測量到該振蕩模式。

中微字振蕩按照正弦和余弦的規律進行，三種振蕩的振幅已經都被測量出來，不過還有兩種頻率尚未確定清楚。這是國內外下一代中微子實驗的焦點，包括我國的江門中微子實驗，日本的HyperK實驗，美國的DUNE實驗，還有南極的IceCube實驗。如果這個頻率在未來十年能夠被測定，中微子振蕩的下一個問題就是CP破壞，也就是正反中微子的區別，這也許能解釋目前宇宙中為什么物質遠多于反物質。

目前，關于中微子的研究都是基礎科學領域的研究，尚未應用于日常生活中，不過，正如中微子專家、亞太物理學會楊振寧獎得主曹俊所說：“400年前，丹麥科學家第谷仰望星空30年，積累了大量的天文數據，由他的弟子總結成開普勒三定律，這成為牛頓提出牛頓力學的重要依據。誰能想到，第谷天天盯著星星看而窺得的行星運動的奧秘，400年后成為我們修造高樓大廈、橋梁、飛機、汽車、發射飛船衛星的根本？今天的科學將是明天的技術。從基礎科學研究到技術轉化，需要一代代科學家們的持續努力?！?/p>

就目前而言，中微子已經成為天文學和地質學的一種探測工具，超新星爆發會釋放大量中微子，地球內部的核衰變也會釋放中微子，這些中微子，將成為研究天體物理和地質的新工具。（來源：科通社 責任編輯/墓喬）