揭開中微子的神秘面紗

孫文德

去年，中微子具有質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，被我國科學(xué)家和美國《科學(xué)》周刊評選為1998年度世界重大科技新聞之一。1999年初，中國科學(xué)院在《1999科學(xué)發(fā)展報告》中又將中微子研究稱為“新物理的突破口之一”。中微子究竟是什么東西?中微子的研究為什么如此受到科學(xué)家們的重視?要回答這些問題，就要從中微子的發(fā)現(xiàn)說起。

中微子的發(fā)現(xiàn)

中微子的發(fā)現(xiàn)，還要從19世紀(jì)末20世紀(jì)初對放射性的研究談起。當(dāng)時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在量子世界中，能量的吸引和發(fā)射是不連續(xù)的。不僅原子的光譜是不連續(xù)的，而且原子核中放出的阿爾法射線和伽馬射線也是不連續(xù)的。這是由于原子核在不同能級間躍遷時釋放能量而引起的，是符合量子世界的規(guī)律的。可奇怪的是，物質(zhì)在B衰變過程中釋放出的B射線由電子組成的能譜卻是連續(xù)的，而且電子只是帶走了它應(yīng)該帶走的能量的一部分，還有一部分能量卻失蹤了。

到了1933年，意大利科學(xué)家費米提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用。β衰變就是原子核內(nèi)一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質(zhì)子和一個中微子。

由于中微子與其他粒子的作用非常微弱，在很長一段時間內(nèi)科學(xué)家們一直未能直接觀測到它。50年代中期，美國加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)教授弗雷德里克·萊因斯及其同事在氯化鎘溶液中發(fā)現(xiàn)了中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞時發(fā)出的明顯的頻閃，從而證實了中微子的存在。為此，他與發(fā)現(xiàn)輕子的美國物理學(xué)家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學(xué)獎。

驚世發(fā)現(xiàn)：中微子有質(zhì)量

在微觀世界中，中微子一直是一個無所不在又不可捉摸的過客。中微子產(chǎn)生的途徑有很多，如恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、超新星的爆發(fā)、宇宙射線與地球大氣層的撞擊以及地球上巖石等各種物質(zhì)的衰變等。由于中微子與物質(zhì)的相互作用極弱，難以捉摸，以致人們至今對它的認(rèn)識還很膚淺，就連它有無質(zhì)量也一直沒有搞清楚。

為了研究中微子的性質(zhì)，各國建造了大量的探測設(shè)施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測裝置、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測設(shè)施以及美國在南極地區(qū)建造的中微子觀測裝置。

日本神岡町的地下中微子探測裝置，設(shè)置在一個地下1公里深處廢棄的鋅礦坑中。這是一個巨大的水池，裝有5萬噸水，周圍放置了1．3萬個光電倍增管探測器。當(dāng)中微子通過這個水池時，由于水中氫原子核的數(shù)目極其巨大，兩者發(fā)生撞擊的概率相當(dāng)高。碰撞發(fā)生時產(chǎn)生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，并通過轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號送入計算機，供科學(xué)家們分析和研究。

1998年6月，日本科學(xué)家們宣布：從他們的中微子探測裝置掌握的足夠?qū)嶒炞C據(jù)說明中微子具有靜止質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)引起了人們的廣泛關(guān)注。來自24個國家的350多名高能物理學(xué)家云集日本小鎮(zhèn)神岡町，親眼目睹了整個實驗過程。美國哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家謝爾登·格拉林指出：“這是最近幾十年來粒子物理領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。”

將大放異彩的中微子天文學(xué)

中微子具有質(zhì)量的意義非同一般。雖然單個中微子的質(zhì)量微不足道，但由于宇宙中中微子的密度與光子相仿，比其他所有粒子都要多出數(shù)十億倍。所以它的總質(zhì)量也就非常驚人。中微子有無質(zhì)量還關(guān)系到人類所在的宇宙將如何演變?？茖W(xué)家目前認(rèn)同的有兩種設(shè)想：一種情況是宇宙將像現(xiàn)在這樣永遠膨脹下去，另一種情況是它膨脹到一定程度后將會在自身引力的作用下發(fā)生收縮，至于會產(chǎn)生哪一種情況，將取決于宇宙的總質(zhì)量。如果總質(zhì)量小于某個臨界值，宇宙自身的引力就不夠大，前者將會發(fā)生；反之則為后者。

對中微子的研究不僅可以告訴我們宇宙整體的質(zhì)量，而且可以揭示浩瀚的太空深處各種星體的奧秘。這是因為從星球內(nèi)部發(fā)出的光很難穿過龐大的星球，我們現(xiàn)在所觀測到的星光、太陽光只是星球、太陽表面發(fā)出的光，只有中微子才能暢通無阻地將星球、太陽內(nèi)部的信息帶給我們。

1987年2月23日格林尼治時間10點35分，南半球的幾個天文臺觀測到大麥哲倫星云中一顆超新星開始爆發(fā)。這消息公布后，幾個有大型地下中微子天文臺的實驗室立刻查閱了數(shù)據(jù)證錄磁帶，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)天格林尼治時間7點35分左右總共捕獲了24個來自超新星的中微子，記錄下了十分珍貴的信息。

正是中微子可以穿過大量的物質(zhì)卻幾乎不發(fā)生任何反應(yīng)，從而為我們帶來了宇宙深處的中微子信息。雖然此次超新星爆發(fā)時我們只記錄下了24個中微子，但卻可以推算出這顆超新星爆發(fā)的總能量和爆發(fā)后形成的中子星的直徑與質(zhì)量。可以預(yù)計，中微子天文學(xué)將在21世紀(jì)大放異彩。

能穿透地球的中微子通訊

對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我們的日常生活中也有現(xiàn)實意義，其中可能的應(yīng)用之一就是中微子通訊。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛(wèi)星和地面站。而中微子穿過地球時損耗很小，用高能加速器產(chǎn)生的10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減1/1000，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。把中微子流加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息，將來在地球上任意兩點進行通訊聯(lián)系，無需昂貴而復(fù)雜的衛(wèi)星或微波站。我們相信：隨著對中微子物理研究的不斷深入，將給人類帶來巨大的收益。

(責(zé)任編輯／錢利群)