中微子：“幽靈粒子”揭開神秘面紗

2024年11月，我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——江門中微子實驗中心探測器建設(shè)進入收官階段。這個位于廣東江門的大科學裝置深藏在地下700米，建成后將主要用于研究宇宙中的中微子。

中微子是構(gòu)成世界的基本粒子，也是宇宙中最古老、數(shù)量最多的物質(zhì)粒子之一。從中微子發(fā)現(xiàn)至今，已經(jīng)有8位科學家因為中微子研究獲得了諾貝爾物理學獎。中微子為什么這么重要？中微子是如何被發(fā)現(xiàn)的？關(guān)于中微子的研究又會給人類社會帶來哪些進步與發(fā)展？

一個大膽的假設(shè)

想要了解中微子，首先要從能量守恒定律說起。作為物理學中的普遍性定律，能量守恒定律在科學探索中發(fā)揮著重要作用。20世紀初，有些科學家在研究原子核β衰變時，遇到了一個難以理解的事實：原子核在衰變時釋放的能量與電子帶走的能量不一致，電子帶走的能量比原子核釋放的能量少得多。

顯然，這一現(xiàn)象違背了能量守恒定律。物理學家們隨后展開了一場激烈的爭論。有些物理學權(quán)威專家，對原子核β衰變中的能量是否守恒提出了疑問。例如著名的丹麥物理學家玻爾認為，能量守恒定律只取原子核多次衰變過程的平均值才有效，并非在每一次衰變中都成立。

玻爾提出的這種能量不守恒的想法，遭到了奧地利年輕物理學家泡利的反對。1930年年底，泡利提出了一種大膽的假設(shè)：能量守恒定律依然有效，但在原子核β衰變過程中，除了向外釋放電子，還釋放出了一種難以探測到的中性粒子，這種中性粒子也帶走了原子核釋放的能量。這種粒子，就是后來大家所說的中微子。

泡利不僅提出了中微子假說，還積極呼吁物理學家去搜索它。1930年12月，他給在德國參加放射性研究會議的與會者們致信，呼吁大家對中微子假說進行“檢驗和裁決”。

不久后，意大利物理學家費米運用泡利的觀點，將中微子納入原子核β衰變的理論研究并進行確切的闡述，成功解釋了原子核β衰變，并提出了一種新的自然力——弱相互作用理論。

隨著研究的不斷深入，中微子的神秘面紗被慢慢揭開：中微子不帶電、質(zhì)量非常小、運動速度堪比光速、數(shù)量極為龐大、遍布整個宇宙空間……同時，多次實驗反饋結(jié)果表明，中微子家族類型多樣，各種類型的中微子之間還可以相互轉(zhuǎn)化，目前已經(jīng)探測到的有電子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子等。

捕獲難度大的“信息存儲器”

實際上，中微子遍布全宇宙，大多數(shù)粒子的物理和核物理過程都會伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核反應(yīng)堆核裂變、太陽核聚變、超新星爆炸、宇宙射線等。不過，想要證實中微子的存在卻不是一件容易的事。由于很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，中微子難以被直接捕獲，科學家們只能通過捕捉中微子經(jīng)過后留下的痕跡來證實它的存在。這種方法就好比我們看不見風，卻可以通過樹葉的抖動證明風的存在。

第一個“捕捉”到中微子的是美國物理學家萊因斯和科萬。一次實驗中，他們設(shè)置了一個簡易的中微子探測器：這是一個裝有有機液體的大桶，桶內(nèi)壁安裝了一種可以轉(zhuǎn)換微弱光信號的電子器件。科學家們通過觀測中微子束流穿過有機液體后出現(xiàn)的光信號，來證明中微子的存在。

1956年，經(jīng)過大量實驗，他們在探測器中發(fā)現(xiàn)了比較明顯的光信號，證實了此前的猜想。另一名物理學家戴維斯將目標對準了太陽中微子。太陽的核心不斷發(fā)生核聚變反應(yīng)，這使得它成為一個巨大的中微子發(fā)射源。

20世紀60年代，美國南達科他州霍姆斯塔克金礦，戴維斯將實驗地點選在了信號不容易受到干擾的地下1600米深處。經(jīng)過多次實驗，他在探測器中順利捕獲到了太陽中微子。

在發(fā)現(xiàn)初期，中微子的研究發(fā)展較為緩慢。直到1998年日本超級神岡中微子實驗探測器發(fā)現(xiàn)中微子振蕩后，中微子研究迎來了發(fā)展的黃金時代。

同一時刻，相關(guān)的投資也進入爆發(fā)式發(fā)展階段，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)先后修建中微子探測裝置。2014年，美國能源部將中微子物理列為驅(qū)動科學發(fā)展的“五駕馬車”之一。據(jù)公開消息，我國早在2011年，建成了大亞灣核反應(yīng)堆中微子探測器，并投入運行；2015年，我國新一代中微子實驗項目江門中微子實驗基地開始施工建設(shè)。

值得關(guān)注的是，中微子還有一個非常特別的性質(zhì)——可以穿透一切事物，具有極強的穿透力。這個特性也引起了網(wǎng)民的廣泛討論，有網(wǎng)友用“我在你身邊而你卻無從察覺”來形容中微子的神秘。

想象一下，此時此刻正在讀報的你，每秒鐘有數(shù)以億計的中微子穿過你的身體，但你卻完全沒有察覺。即便是直徑約為12700多公里的地球，中微子也可以毫無阻擋地穿過，不會受到海水和地層的阻擋，也無法被干擾和攔截。

中微子的發(fā)現(xiàn)，為科學家破解宇宙奧秘提供了新的切入點。科學家認為，宇宙中充斥的大量中微子，大部分為宇宙大爆炸時期的殘留。作為宇宙形成之初就存在的最古老、最原始的基本粒子之一，中微子見證了宇宙的誕生，攜帶著宇宙演化的秘密。通過觀測了解中微子，科研人員可以研究恒星的生命歷程、揭示暗物質(zhì)和暗能量的神秘面紗，提升人類對宇宙的認知。

目前，世界上關(guān)于中微子的研究裝置主要有日本超級神岡中微子實驗探測器、美國深部地下中微子實驗探測器，以及我國江門中微子實驗中心探測器。

中微子就像彌散在宇宙中的信使，使得人與人、人與自然、人與萬物之間存在著微妙的感應(yīng)，存在著跨越時空的記憶和全息的信息存儲，未來還將一直攜帶著源頭信息“勇往直前”。

應(yīng)用前景廣闊

中微子研究為理解物理學基本問題提供了一把“鑰匙”。科學家們對破解中微子之謎的迫切，促使中微子研究始終保持著熱度，除了用于探索宇宙奧秘，中微子還具有多種可期的應(yīng)用前景。

首先，中微子是探測地球內(nèi)部的重要工具。通過研究地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的中微子，科學家可以更準確地認識地球內(nèi)部的演化規(guī)律。比如研究一束穿透海洋地殼的中微子，科研人員就能知道海洋地殼的內(nèi)部發(fā)生過什么。這可以幫助科研人員弄清楚地球內(nèi)部的變化如何影響陸地板塊，冰川消融后是否會導致板塊失衡，海水倒灌究竟是什么原因，等等。

其次，中微子可用于通信技術(shù)的革新。基于與物質(zhì)相互作用極小、穿透性極強的特點，中微子未來可以充當一個優(yōu)越的信息載體，實現(xiàn)無障礙超遠距離傳輸，用于通信技術(shù)的革新。

以往，通信常使用電磁波作為通信的載體，但電磁波一旦進入水下后就會被大幅度衰減，這時人們就只能依靠聲波來進行通信。

與之不同，中微子能夠輕松自如地穿透大氣、海水甚至是地殼，實現(xiàn)超長距離快速通信。除了在介質(zhì)中暢行無阻的優(yōu)點外，其超大的容量、超高的傳速、穩(wěn)定的保密性也是其他通信手段難以企及的。以核潛艇為例。核潛艇原本可以數(shù)月潛航于深海中，但為了與地面通信，需要連接一根有線天線到接近海面處，這制約了核潛艇的航行深度和速度，增加了被發(fā)現(xiàn)的風險。而如果以中微子作為信息載體的通信方式，利用中微子絕佳的穿透力，接收和發(fā)送信息將不再受地球曲面和海水阻礙的困擾。同時，由于中微子通信具有隱身性，對手根本無法搜索到信源位置，更無法利用反輻射導彈對中微子通信設(shè)備進行打擊和干擾。進入21世紀以來，美國已開始嘗試使用中微子進行深海潛艇與地面通信的設(shè)計與研究工作。

再次，中微子可用于研制中微子雷達等。由于中微子可以輕易穿透各種障礙物，科研人員提出利用中微子信號發(fā)展中微子雷達的設(shè)想，以實現(xiàn)對深海潛艇和地下掩體的探測定位，彌補電磁波雷達和聲吶在這些場景中的缺陷。

目前，國外有科學家正在研究通過探測中微子信號的強度來甄別核燃料的濃縮級別。如果是武器級核燃料，其發(fā)出的中微子信號會更加強烈，因此這一方法對發(fā)現(xiàn)大規(guī)模殺傷性武器非常有幫助，甚至可用于銷毀敵人的核武庫。其背后的基本原理是，將高能加速器產(chǎn)生的高能中微子束定向照射核材料，可以點燃和銷毀核武器庫。

不過，由于高風險性和不確定性，以上這些研究仍有漫長的道路要走。比如中微子通信，目前面臨的難題是：中微子與物質(zhì)的相互作用非常弱，在中微子束流中編碼信息存在難度。

回首過去，從泡利1930年提出“中微子假說”到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了近100年的時間。幸運的是，在這近100年的時間里，我們?nèi)〉昧丝捎^的研究成果，進一步揭示了宇宙的奧妙、推動了粒子物理學的發(fā)展，為未來通信技術(shù)的發(fā)展提供了變革性的思路。相信伴隨著中微子研究的不斷深入，我們終將揭示更多關(guān)于宇宙的奧秘，為人類未來開辟更多嶄新的可能性。科

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報》2024-11-29 第11版）