用水晶球逼“幽靈粒子”現身

黃增強

在我國廣東江門界于陽江核電站與臺山核電站兩座核電站之間，正在挖掘一個巨大的空洞，空洞中建有一個超級實驗室，安裝了一個12層樓高的水晶球。科學家們將用這一巨器逼“幽靈粒子”中的微子現身，吐露其秘密身世。

中微子，又被稱作微中子，是輕子的一種，也是組成自然界最基本的粒子之一。它個頭小、質量非常輕（小于電子的百萬分之一），不帶電荷，以接近光速的運動可自由穿過地球，幾乎不與任何物質發生作用。中微子由于極為神秘且難以捕捉，所以有“幽靈粒子”之稱。

中微子分為電子中微子、繆中微子和陶中微子三種。一個質量幾乎為零的中微子，不像光子一樣都有兩個偏振態，它只有一個偏振態，只有一個左旋而沒有右旋，這就使得它在弱相互作用中不守恒。另外，中微子還有一個特別奇怪的性質，就是它可以發生振蕩。所謂振蕩，就是指中微子在飛行當中，如電子中微子可以變成繆中微子，然后又變回電子中微子。

中微子的作用十分廣泛，如它能監測核武器制造：當利用核反應堆提取核武器原料“钚”時，所產生的中微子流量會上升，所以通過中微子探測器發出的信號，可以監測其是否有制造核武器的可能;它還能找到反物質：在過去的近百年里，人類始終沒有發現自然界中有反物質存在的跡象，可能的答案只有兩種——反物質已經徹底不存在了，或者它仍存在于別處。而中微子振蕩參數矩陣中的最后一個參數——CP相位角或許將最終揭開謎底;它甚至能給地球做CT：中微子可用于地球斷層掃描，進入我們無法觸及的地球深部，讓人類對地球的構造、資源勘探有更加深刻的認識與了解，同時，讓地震預報成為現實。中微子與我們的關系十分密切，可以說沒有中微子，就不可能有地球上的生命。

鑒于中微子與人類密切相關，所以世界各國的科學家都十分重視對中微子的研究。為了觀測和捕捉中微子，科學家們頗費周折。20世紀20年代末，科學家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉變成另一種核）時發現，在這個過程中有一部分能量不知去向，前后能量不守恒，這使得科學家們不勝困惑。當時年僅30歲的奧地利物理學家保利對能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直覺預言：在此過程中，必定還有一種不帶電的、質量極小的與物質相互作用極弱，以至于無法探測到的新粒子放出來，是它帶走了那一部分能量。他把這種未知的粒子叫作“小中子”，就是現在說的“中微子”。 2005年，美國、日本等8個國家的科學家在南極點下面一個邊長1千米的立方體冰層內部建了一個“冰立方”中微子望遠鏡觀測站。2012年4月，“冰立方”在大麥哲倫云星系的一顆超新星爆發期間發現了兩起能量大于1000萬億電子伏特的中微子事件。

2007年10月，我國開工建設大亞灣中微子實驗室，利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子來尋找和發現中微子。要想捕捉和發現中微子，首先要發現中微子的振蕩模式。自然界中有三種中微子振蕩，即大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩、反應堆和加速器中微子振蕩。前兩種振蕩模式分別被日本的梶田隆章和加拿大的麥克唐納等科學家發現了，而反應堆和加速器中微子振蕩模式就像宇宙中的“隱身人”，一直未被發現。2012年3月8日，大亞灣實驗室在實驗中發現了反應堆和加速器中微子振蕩模式，被稱為中微子物理的一個里程碑，被國際粒子物理界評價為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。

為了早日尋找和發現中微子，2014年年底，中微子超級實驗室在廣東江門動工。新建的超級實驗室，位于陽江核電站與臺山核電站兩座核電站之間。在700多米深的花崗巖下的山體隧道中挖掘了一個直徑50米、高70米的巨型大廳，大廳里安置了一個12層樓高的水晶球，水晶球會一次次閃爍。這個水晶球是一個直徑35.4米、厚12厘米的空心有機玻璃球，它浸泡在一個灌有3萬噸液體（叫作液閃）作為靶物質的池里，被鋼架拴牢。水池是圓柱體，直徑43.5米，深44米，水池上方是各種測量設施。

江門中微子實驗室安置的實驗裝置，是我國最復雜的高能物理實驗裝置。實驗室里安裝的水晶球是人類制造過的最大的有機玻璃球，目前世界上用于粒子物理的有機玻璃球比它小20倍。現在，由我國主持的江門中微子實驗這項超級實驗，已有來自中國、捷克、法國、芬蘭、德國、意大利、俄羅斯和美國等17個國家和地區，77所高校與科研院所，600多位科學家及科研人員加入此項合作組織參與實驗。

江門中微子超級實驗室將于2019年年底建成并投入運行，計劃至少運行20年。實驗室投入運行后，水晶球將會逼中微子這個“幽靈粒子”現身，吐露其身世秘密。