中微子:來自太空的神秘信使

原標題：中微子:來自太空的神秘信使

位於地下700米的江門中微子實驗探測器呈現巨大的球形結構。新華社圖片

茫茫宇宙中，存在許多神秘的粒子，共同構成了整個世界。中微子就是其中之一。

如果你伸出拇指並眨一下眼睛，在這短短的一瞬間，就有將近百億個中微子穿過你的拇指。雖然有這麼多的中微子和我們密切接觸，但這些粒子卻很神秘，不願意透露自己的蹤跡。在一個人的漫長一生中，可能只有一兩個中微子會停下來，與身體內部的原子核和電子發生相互作用。人們很難感受到中微子的存在，甚至科學家觀測中微子的難度也很高。

但是，這種看似微不足道的粒子，卻令無數科學家魂牽夢縈。中微子研究爲理解物理學基本問題提供了一把“金鑰匙”。科學家們對破解中微子之謎的迫切，促使中微子成了國際粒子物理研究的熱點之一。

破解能量消失之謎——

中微子的發現

19世紀後期，研究人員在研究β衰變時，觀測到一種奇怪的現象。根據能量守恆和動量守恆定律，中子衰變成一個質子和一個電子，電子的能量應該是中子和質子的能量差。但實際測量到的電子能量比預測的能量要小，這意味着有一部分能量居然憑空消失了。

爲了解釋這種現象，1930年，著名物理學家沃爾夫岡·泡利提出了一個假說：中子衰變後，除了質子和電子，還產生了第3個粒子。這個粒子也會從原子核中飛出，正好攜帶消失的能量和動量。這個粒子是一種不帶電荷、沒有或質量很小的新型粒子，自旋爲1/2，可以確保β衰變中的能量守恆和角動量守恆。

1934年，核反應堆之父恩里科·費米，將這種新型粒子命名爲“中微子”。他還指出了中微子的關鍵特性：不帶電荷，體積非常小。自此，中微子正式擁有了名號。

雖然理論物理學家很早就預測了中微子的存在，但實驗物理學家用了整整26年的時間才找到它的存在跡象。1956年，物理學家弗雷德裡克·萊恩斯和克萊德·考恩帶領研究團隊，通過探測核反應堆產生的電子反中微子，觀察到了中微子存在的證據，這一年也被學界定義爲“中微子元年”。他們使用薩凡納河核電站核反應堆產生中微子，用一個10噸重的探測器，歷經5個月終於捕捉到了中微子。他們隨即給沃爾夫岡·泡利發送了一封電報，分享了這一重要成果：“很高興地通知你，我們已經確定探測到中微子。”

中微子的發現，爲科學家們進一步認識和理解微觀世界提供了“巨人的肩膀”。

破解味道改變之謎——

中微子的振盪

1957年，蘇聯科學家布魯諾·龐蒂科夫和弗拉基米爾·格里博夫假設，中微子在傳播過程中可能會發生振盪。中微子振盪，是指中微子在飛行時改變“味道”的方式，抑或從一種類型變爲另一種類型。

說到這裡，或許您會疑惑，中微子怎麼會有“味道”呢？這裡的味道（flavor），又稱風味，是美國物理學家默裡·蓋爾曼和德國物理學家哈羅德·弗裡奇提出的概念。他們爲了區分粒子物理學標準模型中的12種基本粒子（包括6種夸克和6種輕子），把質量小的粒子叫做“輕味”（light flavor），質量大的粒子叫做“重味”（heavy flavor）。

從原理上來講，“振盪”是量子力學的結果，是事物在非常小的尺度上的工作方式。一箇中微子產生的時候，只有一種“味道”（電子、μ子或τ子中微子），但最終會演變成其他類型。以不同味道出現的概率則取決於它的傳播距離。如果使用冰激凌口味解釋中微子振盪，可以想象成自己去一家冰激凌店，購買了最喜歡的巧克力口味，然後走出去，冰激凌味道就變成了提拉米蘇；再走一分鐘，提拉米蘇又變成了草莓口味；又過了一分鐘，草莓又變成了牛奶口味——這就是人們通常所說的振盪，可以用中微子移動距離對時間的函數表示。然而，蘇聯科學家關於中微子振盪的假設因爲和大部分科學家的認識不同，並未得到廣泛關注。

接下來，科學家在研究中微子時又遇到了新的障礙——“太陽中微子問題”。物理學家雷·戴維斯等人設計了一個探測太陽中微子的實驗。1968年首次在實驗中得到了探測結果，但讓人費解的是，只是檢測到了預期實驗數量的三分之一。剛開始，科學家們認爲可能是戴維斯實驗和標準太陽模型假設存在問題，但經過長期仔細覈對並未發現不妥之處。

中微子又一次神秘“失蹤”，那它究竟去哪裡了？之前蘇聯科學家的假設此刻發揮了重要作用。原來，太陽中微子具有多重形態，在太陽中以電子中微子的形式誕生，但在前往地球的途中改變了自身的類型，發生了中微子振盪。而這些情況只有在粒子的質量不爲零時纔會發生。這推翻了關於中微子沒有質量的假設，表明之前提出的粒子物理學標準模型可能並不完整，仍然有許多謎團亟待進一步解開。

經過科學家的不懈探索，到目前爲止，已經確定了3種中微子的類型，即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分別與3種帶電輕子的味道有關。此外，相關研究認爲，理論上可能還存在第4種中微子——無菌中微子。與其他中微子依靠重力和弱力相互作用相比，第4種中微子只通過重力相互作用，且自旋特性爲右旋，可以解釋一些特殊的實驗結果，但尚未在實驗中被發現，科學家們正在努力證實其存在。

破解隱身遁形之謎——

中微子的探測

中微子喜歡隱身，又具有較強的穿透性，那如何對其進行探測呢？中微子是中性的，而且體積很小，因此直接探測不太可行。不過，可通過技術手段探測中微子與外界相互作用時產生的較重帶電粒子。同時，爲了觀測效果最大化，探測器的尺寸需要做得足夠大，而且持續時間要足夠長。基於以上技術原理，全球科學家設計出了類型多樣的中微子探測“大科學裝置”。

位於南極的“冰立方”中微子天文觀測臺，是同類探測器中的第一個。它就像在地下架設一個指向太空的中微子望遠鏡。當中微子和深冰探測器內的原子相互作用時，有一定概率產生帶電粒子，帶電粒子穿過冰層會發光，然後得到觀測結果。“冰立方”可以幫助研究人員研究暗物質的性質和中微子本身的性質等，還可以觀測與地球大氣相互作用的宇宙射線，揭示目前尚未理解的宇宙結構。今年6月29日，“冰立方”首次探測到了來自銀河系的中微子。

美國費米實驗室DUNE（深層地下中微子實驗）裝置，建在地表下一英里處，是開啓深地下中微子實驗的重要引擎。在DUNE實驗中，科學家們通過加速質子並將它們撞向目標，從而產生一束中微子。這束中微子穿過相距800英里的兩個探測器，碰撞到探測器內的氬氣，而後留下能量痕跡。建成之後，DUNE裝置可以尋找質子衰變的跡象，併爲探索物質起源和黑洞形成提供實驗支撐。

日本超級神岡探測器，是建在地下1000米的大型中微子探測器，主要用於探測質子衰變以及尋找太陽、地球大氣的中微子。該探測器由內部空間和外部空間組成，分別裝有32000噸和18000噸純水。內部空間被11000個光電倍增管包圍，這些光電倍增管可以探測電子被中微子撞擊時發出的淡藍色切倫科夫光。1996年投入觀測使用後，便有力推動了日本的中微子研究，梶田隆章教授藉助其驗證了中微子振盪現象、證實了中微子是有質量的，獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

中國處於全球中微子探索的第一方陣。2007年開始建設大亞灣反應堆中微子實驗，並於2011年底投入運行。該實驗利用探測中微子和質子的反應來研究中微子，通過比較遠近兩個探測器測得的中微子通量和能譜，判斷中微子是否發生了振盪，進而確定振盪參數。2012年3月8日，大亞灣中微子實驗成功發現了中微子的第三種振盪模式，並測量到其振盪概率，因此獲得2015國際基礎科學突破獎和2016年國家自然科學一等獎。

此外，位於廣東省的江門中微子實驗室的建設工作也正如火如荼開展。該裝置包括：位於地下700米的地下洞室、大型的水池、一個裝滿2萬噸液體閃爍體和光電倍增管的中微子探測器等。液體閃爍體是探測中微子的介質。當大量中微子穿過探測器時，會在探測器內發生反應，發出極其微弱的閃爍光，從而被光電倍增管探測到。江門中微子實驗室有望首次測定中微子質量順序，對三類中微子振盪參數的完備性測量也將達到前所未有的1%精度。人們期待着，江門中微子實驗室將爲人類擴展對宇宙的認識做出更多的貢獻。（李振舉 趙 輝）