探索中微子“變臉”之謎

楊先碧

我們生活在一個(gè)中微子充斥其間的世界。當(dāng)你在閱讀這段文字的時(shí)候，已經(jīng)有數(shù)以億計(jì)的中微子穿過了你的身體。由于中微子善于穿透任何物質(zhì)，因而被科學(xué)家稱之為難以捕捉的“幽靈粒子”。最近，兩位物理學(xué)家因?yàn)樵谥形⒆臃矫娴耐怀鲐暙I(xiàn)而被授予2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是目前已知宇宙中數(shù)量第二多的粒子，僅次于光子。中微子有一個(gè)神奇的特性，那就是可以穿透任何物質(zhì)。盡管中微子神秘莫測(cè)，來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，科學(xué)家卻能通過巧妙的方法發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。就算它們“玩失蹤”，科學(xué)家也能知道它們改頭換面成什么樣子了。2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予給了日本物理學(xué)家梶田隆章和加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納，他們的貢獻(xiàn)就是找到了“失蹤”的中微子，發(fā)現(xiàn)了它們“變臉”的秘密，并以此證實(shí)中微子有質(zhì)量。

大亞灣中微子探測(cè)器

無(wú)處不在的“幽靈粒子”

對(duì)于中微子的存在與否，始終存有爭(zhēng)議。早在1930年，奧地利物理學(xué)家泡利就預(yù)言了中微子的存在，但預(yù)言者自己都將信將疑。直到1956年，美國(guó)兩位物理學(xué)家馬丁·佩爾和弗雷德里克·萊因斯才成功地探測(cè)到了中微子的存在，宣告了這一“幽靈粒子”的真實(shí)存在，該成果在1995年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

何為“中微子”呢？其實(shí)中微子的“中”不是指大小，而是指電中性，即這種粒子是不帶電的;而“微”字倒是說它很小。所以有科學(xué)家建議，為了避免人們誤解中微子的意思，可以稱它為“微中子”。

由于中微子比原子、電子都小得多，其質(zhì)量小于電子的萬(wàn)分之一，小于原子的千萬(wàn)分之一，因此，它微小到難以損傷你身體內(nèi)的細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的任何有機(jī)物質(zhì)。所以盡管數(shù)以億計(jì)的中微子源源不斷地穿過我們的身體，我們卻不會(huì)產(chǎn)生“萬(wàn)箭穿心”的感覺。

正因?yàn)橹形⒆泳哂泻軓?qiáng)的穿透性，且很難和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，一度被科學(xué)家稱為捉不住的“幽靈粒子”。后來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中微子并非完全不和其他物質(zhì)相互作用?？茖W(xué)家通過探測(cè)它們相互作用時(shí)產(chǎn)生的微弱閃光，就可證實(shí)中微子的存在。只不過這種作用的概率十分微小，在100億個(gè)中微子中只有1個(gè)會(huì)與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以探測(cè)起來(lái)非常困難，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)稱這種探測(cè)“相當(dāng)于在整個(gè)撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。

解開中微子“失蹤”之謎

1968年，美國(guó)物理學(xué)家戴維斯觀測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子。然而，他測(cè)量到的中微子數(shù)量?jī)H有理論預(yù)測(cè)的三分之一。這被稱為“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”。在確認(rèn)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都無(wú)誤之后，科學(xué)家推測(cè)，來(lái)自太陽(yáng)的中微子發(fā)生了振蕩現(xiàn)象。也就是說，它們發(fā)生了如同川劇中的“變臉”現(xiàn)象：從一種中微子變成了其他中微子。太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：“繆中微子”和“陶中微子”。

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難以捕捉的中微子

然而，當(dāng)時(shí)對(duì)于中微子的“變臉”現(xiàn)象仍然只能停留在猜想階段，直到更加復(fù)雜的大型設(shè)施投入運(yùn)行之后情況才開始有所改觀。在地下深處，巨大的探測(cè)設(shè)施晝夜不停地搜尋著中微子的蹤跡。之所以將探測(cè)設(shè)施建設(shè)在地下，是想要避開來(lái)自宇宙射線以及自然環(huán)境中天然放射性衰變過程的影響。即便如此，要想從數(shù)以十億計(jì)的干擾信號(hào)中識(shí)別出少數(shù)幾個(gè)真實(shí)的中微子信號(hào)，仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。甚至地下礦井中的空氣，以及用來(lái)作為探測(cè)器的礦物材料中含有的微量元素發(fā)生的衰變過程等都會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納他們做了大量的實(shí)驗(yàn)。為了觀測(cè)到太陽(yáng)中微子，他們甚至需要鉆到幾千米的地底下。麥克唐納說：“盡管這樣的觀測(cè)并不是自己所期望的，但這似乎是能夠找到太陽(yáng)中微子的最好的方法?！北M管太陽(yáng)中微子振蕩現(xiàn)象難以捉摸，它還是被麥克唐納用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。

麥克唐納驗(yàn)證中微子振蕩采用的是重水中微子探測(cè)器。這種探測(cè)器安裝在一個(gè)2000多米深的廢棄鎳礦中，該礦已被加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)購(gòu)買。這種探測(cè)器的主要部分是一個(gè)直徑12米的球形容器，里面裝有1000噸重水（重水是由氘和氧組成的化合物，分子式D2O，相對(duì)分子質(zhì)量20.0275，比水H2O的分子量18.0153高出約11%，因此叫作重水。），容器壁用丙烯酸樹脂制成，容器的周圍安裝了9600個(gè)光電倍增管，用于探測(cè)微量中微子遇到重水后輻射的光子。2001年，麥克唐納利用重水探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的證據(jù)。

來(lái)自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中也會(huì)產(chǎn)生大量中微子，它們被稱為“大氣中微子”。1988年，日本物理學(xué)家梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，能夠檢測(cè)到的中微子比預(yù)期少，一部分中微子似乎也神秘地失蹤了，這被稱為“大氣中微子反?！爆F(xiàn)象。

2008年，梶田隆章用超級(jí)神岡探測(cè)器驗(yàn)證了大氣中微子也會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。這個(gè)探測(cè)器位于日本岐阜縣一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中，其主要部分是一個(gè)高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，里面裝滿水，容器的內(nèi)壁上安裝有1.12萬(wàn)個(gè)光電倍增管，用于探測(cè)微量中微子遇到水后輻射的光子。

那么，中微子振蕩為什么又和中微子的質(zhì)量扯上關(guān)系呢？因?yàn)樵?jīng)的理論預(yù)測(cè)認(rèn)為，中微子是沒有質(zhì)量的。按照這個(gè)理論，中微子就不可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。假如中微子有質(zhì)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(fā)變成另一種，有時(shí)還能變回來(lái)，像波一樣振蕩。

加拿大的重水中微子探測(cè)器

中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)

中國(guó)科學(xué)家在中微子振蕩研究領(lǐng)域也取得了國(guó)際矚目的成績(jī)。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科研人員2003年提出設(shè)想，利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子來(lái)尋找區(qū)別于麥克唐納和梶田隆章的第三種中微子振蕩，并提出了實(shí)驗(yàn)和探測(cè)器設(shè)計(jì)的總體方案。2012年，他們終于在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩概率為9.2%。這一重要成果是對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項(xiàng)新的認(rèn)識(shí)，對(duì)中微子物理未來(lái)發(fā)展方向起到了決定性的作用，并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國(guó)際合作項(xiàng)目，由中國(guó)、美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)，有俄羅斯、捷克、中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家共同參與。整個(gè)項(xiàng)目建有總長(zhǎng)3千米的隧道和3個(gè)地下實(shí)驗(yàn)大廳。三個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳共放置8臺(tái)中微子探測(cè)器，每臺(tái)探測(cè)器高5米、直徑5米、重110噸，均置于10米深的水池中。2015年11月8日，“科學(xué)突破獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)儀式在美國(guó)加州圣何塞舉行。王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)獲得“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)”，這也是中國(guó)科學(xué)家首次獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。

在美國(guó)《科學(xué)》雜志公布的2012年度十大科學(xué)突破中，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第三種中微子振蕩模式的成果上榜。《科學(xué)》雜志對(duì)此的評(píng)價(jià)是：“如果物理學(xué)家無(wú)法發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會(huì)代表粒子物理學(xué)的未來(lái)。大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時(shí)刻?！?/p>

中微子振蕩有啥用

研究中微子振蕩究竟有啥用？當(dāng)科學(xué)家不知道中微子存在質(zhì)量的時(shí)候，很難將它們放入理論模型中去研究，并得出關(guān)于物理學(xué)的基本結(jié)論。所以這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅改善了物理學(xué)理論標(biāo)準(zhǔn)模型，也讓我們有渠道去了解更多的關(guān)于宇宙進(jìn)化的過程。

梶田隆章表示：自己所從事的這項(xiàng)研究，不是那種馬上會(huì)有什么用處的研究。這項(xiàng)研究成果屬于滿足人們好奇心的研究，為解釋宇宙起源和演化之謎能提供一定的線索。歷史上很多意義重大的科學(xué)發(fā)明都起源于人們的好奇心，每個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)或許起初缺乏實(shí)際用途，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看都會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活發(fā)生重大影響。

麥克唐納則認(rèn)為：“幽靈粒子中微子研究將有助解釋宇宙的演變進(jìn)程。中微子是我們不知如何進(jìn)一步細(xì)分的基本粒子之一，探索它們有助于我們了解宇宙的演變進(jìn)程，而證明它們具有質(zhì)量將會(huì)幫助我們揭開那些宇宙奧秘?！?/p>

有關(guān)中微子的研究還有利于揭示太陽(yáng)能量之謎?？茖W(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)的能量來(lái)自核心區(qū)的核聚變;核心區(qū)產(chǎn)生的熱能要經(jīng)過10萬(wàn)年，才能傳遞到太陽(yáng)表面，變成我們能感知的光和熱。要驗(yàn)證這個(gè)理論機(jī)制，似乎是一件無(wú)法完成的任務(wù)，因?yàn)槿祟惖奶綔y(cè)器連地心都不可能抵達(dá)，更不用說太陽(yáng)核心了。然而，中微子可以輕松地從太陽(yáng)核心穿過，通過探測(cè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子，就可以想辦法揭示太陽(yáng)核聚變之謎，有利于將來(lái)更好地在地球上實(shí)現(xiàn)人工核聚變。

宇宙射線穿越大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量中微子

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在聲明中稱：梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的研究成果促成了人們對(duì)“粒子世界的一次認(rèn)識(shí)蛻變”。兩人的發(fā)現(xiàn)同時(shí)改變了人類對(duì)物質(zhì)內(nèi)層運(yùn)作的看法，并將驗(yàn)證我們對(duì)于宇宙的理解。目前，全世界圍繞中微子展開的種種實(shí)驗(yàn)與研究才得以繼續(xù)熱烈地進(jìn)行下去。逐漸涌現(xiàn)的成果讓我們相信，中微子即將帶來(lái)的發(fā)現(xiàn)，將改變?nèi)祟悓?duì)于歷史、科學(xué)乃至整個(gè)宇宙未來(lái)命運(yùn)的認(rèn)識(shí)。

2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

阿瑟·麥克唐納，生于1943年，加拿大物理學(xué)家。1964年在加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)獲物理學(xué)士，1965年獲碩士學(xué)位，并在美國(guó)加州理工學(xué)院獲物理學(xué)博士學(xué)位。1970-1982年任加拿大渥太華的喬克·里弗核實(shí)驗(yàn)室研究員。1982-1989年在美國(guó)普林斯頓大學(xué)任物理學(xué)教授，后加入加拿大女王大學(xué)，目前是女王大學(xué)大學(xué)研究主席。

梶田隆章，生于1959年，日本物理學(xué)家、天文學(xué)家。在日本埼玉大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士，在東京大學(xué)獲得理學(xué)博士。歷任東京大學(xué)宇宙線研究所助手（1988年）、副教授（1992年）、教授（1999年）?，F(xiàn)任東京大學(xué)宇宙線研究所所長(zhǎng)，同時(shí)兼任該所附屬的宇宙中微子觀測(cè)信息融合中心負(fù)責(zé)人。