追尋失蹤的“幽靈粒子”

曉陽

宇宙中有一種來無影、去無蹤的“幽靈粒子”，它們是中微子。然而，科學家卻能通過巧妙的方法發現它們的蹤跡，就算它們“玩失蹤”，科學家也能知道它們改頭換面成什么樣子了。瑞典皇家科學院將2015年諾貝爾物理學獎授予了日本物理學家梶田隆章和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納，他們的貢獻就是找到了“失蹤”的中微子，并以此證實中微子有質量。

“幽靈粒子”無處不在

獲得2015年諾貝爾物理學獎的科學家研究的是中微子。那有沒有大微子和小微子？沒有。其實中微子的“中”不是指大小，指的是電中性，即這種粒子是不帶電的，而“微”是說它很小，所以叫中微子。中微子是宇宙中最基本的粒子之一。它有一個神奇的特性，那就是可以穿透任何物質。當你在閱讀這段文字的時候，已經有數以億計的中微子穿過了你的身體，而你并不會因此產生“萬箭穿心”的感覺。

我們生活在一個中微子充斥其間的世界。中微子是宇宙中數量第二多的粒子，僅次于光子。然而，由于它們具有很強的穿透性，且很難和普通物質發生相互作用，所以探測起來非常困難，一度被科學家稱為“捉不住的‘幽靈粒子”。直到1956年，才有兩位物理學家成功探測到了中微子的存在，宣告了這一“幽靈粒子”的真實存在，該成果在1995年被授予諾貝爾物理學獎。

解開中微子“失蹤”之謎

1968年，美國物理學家戴維斯觀測到來自太陽的中微子。然而，他測量到的中微子數僅有理論預測的三分之一。這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。在確認實驗和理論計算都無誤之后，科學家推測，來自太陽的中微子發生了振蕩現象，即從一種中微子變成了其他中微子。太陽產生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：繆子中微子和陶子中微子。

這種推測被麥克唐納用實驗驗證了。麥克唐納驗證中微子振蕩采用的是重水中微子探測器。這種探測器的主要部分是一個直徑12米的球形容器，里面裝有1 000噸重水，容器壁用丙烯酸樹脂制成，容器的周圍安裝了9 600個光電倍增管，用于探測中微子遇到重水輻射的光子。2001年，麥克唐納利用重水探測器發現了中微子振蕩的證據。

來自太空的高能宇宙射線，在地球大氣層中也會產生大量中微子。1988年，梶田隆章在分析數據時發現，測到的中微子比預期少，這被稱為“大氣中微子反?！?。2008年，梶田隆章用超級神岡探測器驗證了大氣中微子也會發生振蕩現象。這個探測器的主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，里面裝滿水，容器的內壁上安裝有11 200個光電倍增管。

那么，中微子振蕩為什么又和中微子有質量相關呢？曾經的理論預測認為，中微子是沒有質量的，那么按照這個理論，中微子就不可能產生振蕩現象。假如中微子有質量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過程中自發變成另一種，還能變回來，像波一樣振蕩。

發現中微子振蕩有啥用

麥克唐納和梶田隆章的研究究竟有啥用？梶田隆章表示，他所從事的這項研究，不是那種馬上就會有什么用處的研究。兩人的研究成果屬于滿足人們好奇心的研究，能為解釋宇宙起源和演化之謎提供一定的線索。歷史上很多意義重大的科學發明都起源于人們的好奇心，每個科學發現或許起初缺乏實際用途，但從長遠來看，都會對現實生活產生重大影響。

有關中微子的研究還有利于揭示太陽能量之謎?？茖W家認為，太陽的能量來自核心區的核聚變，核心區產生的熱能要經過10萬年，才能傳遞到太陽表面，變成我們能感知的光和熱。要驗證這個理論機制，似乎是一件無法完成的任務，因為人類的探測器連地心都不可能抵達，更不用說太陽核心了。然而，中微子可以輕松地從太陽核心穿過，通過探測來自太陽的中微子，就可以想辦法揭示太陽核聚變之謎。