中微子研究，向著未來奔跑

何晶　陳珂

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大廳

歷史總是在某些時(shí)間的交匯點(diǎn)上做一些標(biāo)注，讓它更為顯眼一點(diǎn)。而2015年對于中微子研究來說，的確值得強(qiáng)調(diào)一下。

2015年10月，當(dāng)年的“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”授予了56歲的日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納。梶田的獲獎(jiǎng)理由，是發(fā)現(xiàn)基本粒子中微子存在質(zhì)量。這已經(jīng)是日本憑借中微子研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)的第二位科學(xué)家了。而在全世界范圍內(nèi)，與中微子直接相關(guān)的科學(xué)研究更是獲得了4次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2015年的12月，中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。也就在這一年，江門中微子實(shí)驗(yàn)開始建設(shè)，并將于2021年左右完成，計(jì)劃運(yùn)行20至30年。

“隱身人”中微子

我們首先都會(huì)問的一個(gè)問題就是——中微子到底是什么？

中微子，是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的粒子之一。在構(gòu)成物質(zhì)世界的12個(gè)最基本的粒子當(dāng)中，中微子占了其中的3個(gè)。我們的宇宙產(chǎn)生于137億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸時(shí)，在第一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了無數(shù)的中微子，它們攜帶了比光更早期的宇宙信息。在整個(gè)宇宙中，中微子的數(shù)量僅次于光子，是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。它不帶電，質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動(dòng)，與其他基本粒子之間的相互作用十分微弱，被戲稱為宇宙中的“隱身人”。

中國科學(xué)院高能所研究員曹俊在題為《中微子研究的歷史與未來》的論文里寫道：我們身邊的中微子其實(shí)非常多，例如一個(gè)典型的核反應(yīng)堆每秒鐘產(chǎn)生6萬億億個(gè)中微子，每秒鐘有?3億億個(gè)太陽中微子穿過每個(gè)人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個(gè)宇宙空間內(nèi)多達(dá)330個(gè)每立方厘米。大多數(shù)核過程都會(huì)產(chǎn)生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石的天然放射性、超新星爆炸等等，連每個(gè)人都會(huì)因體內(nèi)的鉀40衰變而每天產(chǎn)生4億個(gè)中微子。

其實(shí)人類對于中微子的研究也不過才幾十年。

上世紀(jì)30年代，奧地利著名科學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇岢龃嬖谥形⒆拥募僬f，他還推斷出中微子就像一個(gè)幽靈，能穿過整個(gè)地球而不和其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。做出這個(gè)推斷之后，他寫信給朋友說他犯了一個(gè)物理學(xué)家所能犯的最大錯(cuò)誤：假設(shè)了一個(gè)不能用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的粒子的存在。他還以一箱香檳酒作為賭注，擔(dān)保沒有人能觀測到中微子。

但到1956年，人類真正在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中微子——美國物理學(xué)家萊因斯和科溫在地下實(shí)驗(yàn)室，通過觀察核反應(yīng)堆，設(shè)法“看見”了第一個(gè)中微子。他們第一時(shí)間從美國給遠(yuǎn)在歐洲核子中心的泡利發(fā)了封電報(bào)。泡利中斷了正在進(jìn)行的會(huì)議，當(dāng)眾宣讀了這封電報(bào)，然后跟朋友們喝掉了那箱香檳。弗雷德里克·萊因斯因此在1995年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

到了1962年，人類又發(fā)現(xiàn)了第二種中微子。隨后，中微子研究不斷發(fā)展成為粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球物理的交叉前沿學(xué)科。

對于經(jīng)常被問及中微子研究有什么用，王貽芳對《中國報(bào)道》記者說：“我相信對我們而言，周圍的世界令人著迷，我們想知道它是由什么構(gòu)成的，也想知道這個(gè)世界究竟是什么樣。它會(huì)對生活有所幫助，也蘊(yùn)含著哲學(xué)趣味。”

美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在2012年曾利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，成功地用中微子實(shí)現(xiàn)了通信。由于中微子可以幾乎不受阻擋地直線穿過物質(zhì)，這種通信不會(huì)受海水和地層的阻擋，也無法干擾、攔截和破解。也許有一天，它能真正變成實(shí)用的通信方式。還有人提出，可以用中微子來給地球做CT，或者探測石油……100多年前，原子核的衰變被發(fā)現(xiàn)時(shí)，也無人知曉這將意味著什么，今天核能的利用已經(jīng)深刻地改變了世界。而中微子如今還只是存在于科學(xué)家的研究里，但隨著研究的不斷深入、更多謎團(tuán)被揭曉，中微子也許將深刻地影響未來。

從大亞灣起步

我國的中微子實(shí)驗(yàn)研究起步很晚， 但取得了舉世矚目的成績。

上世紀(jì)60年代，意大利物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫提出了中微子振蕩的概念。他認(rèn)為某一種特定中微子可以轉(zhuǎn)化為別的中微子，人們所探測到的中微子可能只是處于某種形態(tài)的中微子的一部分。直到1998年，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)證明龐蒂科夫理論的正確性，它以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。

中微子共有3種類型，它的脾性非常奇怪，“一種中微子在飛行中能自發(fā)變成其他種類的中微子。”這也就是專家們所說的“中微子振蕩”——你可以想象有一群馬在奔跑，一會(huì)兒變成一群牛，一會(huì)兒又變成一群羊，一會(huì)兒又變成一群馬。而中微子的3種振蕩模式，此前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種（即太陽和大氣中微子振蕩現(xiàn)象），第三種振蕩模式一直沒有被發(fā)現(xiàn)。

而尋找第三種振蕩模式也正成為中微子研究的新熱點(diǎn)。

2001年，王貽芳接到中國科學(xué)院高能所的邀請回國了。在此前一年，他得知國家科教領(lǐng)導(dǎo)小組在2000年審議并原則通過了中國科學(xué)院提交的《我國高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展目標(biāo)》，確定了中國高能物理和先進(jìn)加速器的發(fā)展戰(zhàn)略。這意味著，中國的高能物理研究開始進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。曹俊2003年從美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室回國，實(shí)際上，高能所的中微子項(xiàng)目從他以后主要以培養(yǎng)國內(nèi)人才為主。曹俊接受媒體采訪時(shí)說，“因?yàn)槲覀冏约号囵B(yǎng)的學(xué)生也成才了，也很優(yōu)秀”。

據(jù)王貽芳回憶，2003年，國際上開始熱烈討論利用反應(yīng)堆中微子來測量中微子第三種振蕩模式的混合角，而且國際上已經(jīng)有好幾個(gè)團(tuán)隊(duì)打算進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)。“我當(dāng)時(shí)的第一反應(yīng)是中微子研究將是一場競爭激烈的賽跑，最終看誰跑得快，精度高。”這就要求必須對實(shí)驗(yàn)、布局、檢測器、技術(shù)等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)際上這也是實(shí)驗(yàn)中最具挑戰(zhàn)性的部分。“我們想方設(shè)法地提出了一套真正的、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，并對這種振蕩的探索進(jìn)行了世上最精確的實(shí)驗(yàn)。”