中微子：粒子界“隱士” 宇宙奧秘“告密人”

“中微子的能量比我們之前看到的都要大，它可以達(dá)到世界上粒子加速器產(chǎn)生的能量的幾百萬倍。”近日，2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者亞瑟·麥克唐納在世界科技創(chuàng)新論壇上表示。上述結(jié)論，源自他對(duì)“冰立方”中微子天文臺(tái)最近發(fā)表的一項(xiàng)研究的分析。

近日出版的《科學(xué)》雜志刊登封面文章，稱“冰立方”中微子天文臺(tái)找到耀變體發(fā)射超高能中微子的證據(jù)。這篇文章中提到，2017年9月22日，冰立方探測(cè)到一個(gè)能量為290 TeV（萬億電子伏特）的中微子。目前能量最高的加速器——?dú)W洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，只能把粒子加速到7 TeV。

眾所周知，中微子質(zhì)量很小，幾乎不與物質(zhì)作用，那么要捕捉到有“幽靈粒子”之稱的它有哪些辦法？目前有哪些項(xiàng)目正在尋找中微子？“冰立方”在尋找中微子方面有什么特殊優(yōu)勢(shì)？哪些過程可能產(chǎn)生中微子？探尋中微子有哪些科學(xué)意義？

不知不覺中帶走能量

20世紀(jì)20年代，科學(xué)家在研究β衰變時(shí)，發(fā)現(xiàn)在這一過程中，有一部分能量不知去向。依照能量守恒定理，如果靜止的中子衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，那么電子的能量應(yīng)該等于中子能量減去質(zhì)子能量的結(jié)果。電子的能量約等于中子與質(zhì)子的質(zhì)量差，而實(shí)際測(cè)量到的電子能量都比預(yù)測(cè)的要小。

這讓科學(xué)家們感到十分困惑，在亞原子過程中，能量守恒定律是否失效了？1930年，當(dāng)時(shí)年僅30歲的奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?，?duì)此作出了一種大膽的推斷。

泡利預(yù)言，在中子的β衰變過程中，除了產(chǎn)生質(zhì)子和電子之外，可能還產(chǎn)生了另一個(gè)新的粒子，是它帶走了“不知去向”的那部分能

在閃爍液體中顯形

由于中微子與物質(zhì)的相互作用很弱，因此想要在實(shí)驗(yàn)里直接找到它，是件很困難的事情。為此，科學(xué)家想了很多辦法。

理論上，只要發(fā)生核裂變反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生中微子。起初，科學(xué)家們選擇在核反應(yīng)堆附近建造對(duì)中微子特征敏感的粒子探測(cè)器。

上文提到的柯萬和萊因斯便是將一個(gè)大型裂變反應(yīng)堆作為中微子來源，用裝有氯化鎘溶液的容器來捕捉中微子。他們預(yù)計(jì)，中微子跟溶液中的質(zhì)子碰撞后的一系列反應(yīng)，會(huì)引起閃光。

果然，閃光出現(xiàn)了，被液體閃爍計(jì)數(shù)器記錄了下來?！伴W爍液體是一種在射線下能發(fā)出熒光的液體，每來一個(gè)射線就發(fā)出一次熒光。由于中微子與質(zhì)子碰撞時(shí)發(fā)出的頻閃很有特異性，從而證實(shí)了中微子的存在?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T周順解釋道。

人造核反應(yīng)堆之外，太陽內(nèi)部的核聚變反應(yīng)和超新星爆發(fā)過程都可以產(chǎn)生大量中微子。同時(shí)，當(dāng)高能宇宙射線撞擊地球大氣層中的粒子時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生中微子。為了尋找來自太陽和大氣的中微子，20世紀(jì)60年代以來，物理學(xué)家們?cè)谏畈康叵陆ㄔ炝硕鄠€(gè)探測(cè)器。

比如，日本東京大學(xué)在一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中建造了大型中微子探測(cè)器——超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-Kamiokande）?！斑@是一個(gè)能同時(shí)檢測(cè)太陽和大氣中微子的探測(cè)器?！敝茼樈榻B。

“冰立方”中微子天文臺(tái)的探測(cè)器則深埋在南極冰蓋下1.5千米處，由86串傳感器組成，排布在1立方千米的冰內(nèi)。當(dāng)中微子偶爾與冰中的原子發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一大團(tuán)帶電粒子，帶電粒子輻射出的藍(lán)光會(huì)照亮周圍的冰。這些被稱為契倫科夫輻射的藍(lán)光可以在純凈的、極透明的冰中傳播幾百米，被布置好的探測(cè)器盡收眼底。

不同探測(cè)方式構(gòu)成互補(bǔ)

既然發(fā)現(xiàn)了中微子的存在，物理學(xué)家們就迫切想知道它的能量、質(zhì)量、速度等各種物理性質(zhì)。

中微子分三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以“振蕩”——從一種類型變成另外一種。三種不同振蕩模式的幅度可以由三個(gè)混合角θ12、θ23和θ13來定量地描述。前兩種已在太陽中微子和大氣中微子振蕩實(shí)驗(yàn)中找到。

2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組宣布，他們發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式，且實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度，測(cè)得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%，誤差為1.7%，無振蕩的可能性只有千萬分之一。

不止是大亞灣實(shí)驗(yàn)，國(guó)際有多個(gè)裝置都在對(duì)中微子振蕩模式進(jìn)行研究。在周順看來，在振蕩模式測(cè)量中，對(duì)3個(gè)中微子兩兩之間的質(zhì)量差可以測(cè)得很精準(zhǔn)，但無法測(cè)量出單個(gè)中微子的絕對(duì)質(zhì)量。

那么，如何測(cè)量單個(gè)中微子的質(zhì)量呢？費(fèi)米曾提出，可以通過測(cè)量β衰變能譜來確定中微子的質(zhì)量。在一個(gè)典型的β衰變中，原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子，同時(shí)放射出一個(gè)電子和一個(gè)電子型反中微子。盡管反中微子無法直接探測(cè)到，但可以通過伴隨電子的能量和動(dòng)量，推測(cè)出這個(gè)反中微子的質(zhì)量。

但是，由于中微子的質(zhì)量實(shí)在太輕，想通過測(cè)量β衰變來測(cè)量其質(zhì)量，要求探測(cè)器具備極高的靈敏度。令人興奮的是，今年6月，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院為中微子打造的迄今最靈敏的“體重秤”KATRIN正式開始運(yùn)行了。

“通過振蕩模式測(cè)量，我們知道三個(gè)中微子的總質(zhì)量必須大于0.06 eV（電子伏特），目前粒子物理實(shí)驗(yàn)給出的質(zhì)量上限是2 eV，KATRIN預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)達(dá)到0.2 eV的靈敏度，這將是一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升?！敝茼樥f道。

來自宇宙深處的信使

了解了中微子的各種“軼事”，你可能想知道，研究它有哪些科學(xué)意義？

在周順看來，除去物理學(xué)層面的意義以外，研究中微子對(duì)于了解恒星的結(jié)構(gòu)和演化，乃至宇宙的起源都有著重要的科學(xué)意義。因此，天文學(xué)里專門有一個(gè)分支叫做中微子天文學(xué)。

來自宇宙深處的高能宇宙射線到達(dá)地球時(shí)，人們無法推斷出它們從何而來。因?yàn)閹щ娏Ｗ釉诖┻^太空時(shí)，星系和星系間的磁場(chǎng)會(huì)改變這些粒子路徑。理論上，宇宙射線的源頭也會(huì)產(chǎn)生中微子。

“耿直”的中微子，幾乎不會(huì)和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，總是一條道走到黑。始終指向起點(diǎn)的它，可以幫助科學(xué)家找到宇宙射線的源頭。

截至目前，“冰立方”已經(jīng)探測(cè)到了多個(gè)超高能中微子，能量高達(dá)1015 eV。科學(xué)家們正在努力探究這些高能中微子是如何產(chǎn)生的，以及來自宇宙何處。極端的宇宙現(xiàn)象，例如活動(dòng)星系核和伽馬射線暴，可能是它們的來源，這兩種現(xiàn)象同樣也可能是宇宙射線的來源。

周順認(rèn)為，如果高能中微子的來源能確切地追溯到這些可能的宇宙線來源上，將幫助科學(xué)家更好地理解那些產(chǎn)生高能中微子的、極其劇烈的天體物理過程。