中微子——一個(gè)熱門的話題

作者簡介：鄭志鵬，1963年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系。中科院高能物理所研究員，博士生導(dǎo)師，“中國物理C(高能物理與核物理)”雜志主編。 曾任中科院高能物理所所長，廣西大學(xué)校長。曾領(lǐng)導(dǎo)北京譜儀的建造，主持τ輕子質(zhì)量的測量， 參加北京譜儀數(shù)據(jù)分析，獲得過國家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)（1990），國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（1994），中科院國家進(jìn)步特等獎(jiǎng)（1989），中科院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（1993），中科院科技成就獎(jiǎng)（2003），全國科技信息系統(tǒng)成果一等獎(jiǎng)（1996），何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)（2005）等獎(jiǎng)項(xiàng)。發(fā)表論文200余篇，專著三部，培養(yǎng)碩士10人，博士12人。

最近一段時(shí)間里，人們經(jīng)常談及中微子，是因?yàn)榻陙?，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩特性，從而推斷出中微子有質(zhì)量（雖然很?。┑慕Y(jié)論，這是對標(biāo)準(zhǔn)模型的極大挑戰(zhàn)，因而激起了人們極大的熱情。不但高能物理、核物理還有天體物理和宇宙學(xué)都給予高度的關(guān)注，一門新的交叉學(xué)科——中微子物理正在蓬勃興起。下面讓我們講述一下中微子的故事，還得從它的發(fā)現(xiàn)開始。

1 中微子的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)20年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在β衰變過程中，電子的能譜是連續(xù)的，而不像α衰變、γ衰變那樣，能譜是分立的。

1930年泡利（Pauli）在解釋這一現(xiàn)象時(shí)提出存在一種電中性的粒子，自旋為12，在β衰變過程中與電子一同發(fā)射出來，攜帶了一部分能量，因而使電子能譜連續(xù)。這就是最早關(guān)于中微子存在的假說。

但是因?yàn)橹形⒆邮请娭行缘模c物質(zhì)發(fā)生相互作用非常弱，與物質(zhì)相互作用截面為1×10-34cm²，非常非常小，相當(dāng)于吸收長度非常非常大，大到29光年。因此中微子極難探測到，對它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長的歲月。

1952年羅德拜克等人根據(jù)王淦昌的建議用K殼層電子俘獲實(shí)驗(yàn)測量了核的反沖能量，根據(jù)能量、動(dòng)量守恒定律，給出了中微子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

1956年，F(xiàn).Reines和C.Cowan在核反應(yīng)堆中通過核反應(yīng)e+p→e++n首次觀察到了中微子，將近四十年后的1995年，諾貝爾物理獎(jiǎng)才授予Reines，而Cowan已去世多年。

μ中微子vμ與電子中微子ve是否相同的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是在1962年，由Lederman，Schwartz和Steinberger等人完成的。他們在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，用15GeV的質(zhì)子束打鈹靶產(chǎn)生π介子束，π介子衰變?yōu)棣套雍蛌μ中微子，vμ 中微子通過15噸的火花室后可產(chǎn)生帶電的μ，而不是電子，從而證明了vμ不同于ve，為此他們獲得了1988年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

20世紀(jì)90年代，LEP和SLC通過Z0衰變寬度的測量，證明了中微子只有三代（Nv=3.00±0.06）。

2000年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Donut實(shí)驗(yàn)探測到了vτ中微子。

2 從太陽中微子丟失到中微子振蕩

太陽的能源來自氫核聚變，通過反應(yīng)4H+2e-→4He+2ve實(shí)現(xiàn)的，因而產(chǎn)生大量的電子中微子。中微子通量為6.5×1010cm-2#8226;s-1。這一過程能很好地用太陽模型描述。

測量太陽中微子的先驅(qū)是R.Davis。在1970年，他用615噸C2Cl4作探測器，通過ve+37Cl→e-+37Ar反應(yīng)，尋找放射性的 37Ar原子。他終于找到了 ，從而探測到了來自太陽的中微子。因此，他獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們在測量太陽中微子數(shù)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)探測到的中微子數(shù)量只有預(yù)期的三分之一。三分之二的太陽中微子丟失到哪里去了？一直成為一個(gè)謎，令物理學(xué)家困惑。為了排除低能太陽中微子沒有被探測到的可能，科學(xué)家對探測器不斷進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)法降低探測器閾值。人們還檢查了太陽模型，并沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。

1990年GALLEX和SAGE實(shí)驗(yàn)，通過反應(yīng)ve+71Ga→e-+71Ge 再一次證明了太陽中微子的丟失現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)丟失了約50%。繼而又被更低閾值（水切侖科夫探測器）的神岡實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。為了解釋這一丟失現(xiàn)象，一種被廣泛認(rèn)可的理論是：太陽中微子自發(fā)射到地球這段距離，一部分電子中微子轉(zhuǎn)換成另一種中微子，例如τ中微子。這種由一種輕子到另一種輕子的轉(zhuǎn)換有點(diǎn)像K0到0 介子的轉(zhuǎn)換一樣，也稱振蕩。2001年SNO重水探測器，利用中微子-電子散射，可以區(qū)別ve+2H→2p+e-以及vx+2H→p+n+vx兩種過程。實(shí)驗(yàn)證明有23的太陽中微子(ve)轉(zhuǎn)換成了其他中微子，給出中微子振蕩的有力證據(jù)。

中微子振蕩現(xiàn)象還在其他類型中微子源的實(shí)驗(yàn)中觀察到。1998年，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)觀察到了大氣中微子振蕩的證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)在很深的礦井下進(jìn)行，探測器使用5萬噸水和一萬多個(gè)光電倍增管組成的切侖科夫計(jì)數(shù)器，發(fā)現(xiàn)vμ在飛行過程中丟失，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆?。?/p>

2000年，K2K實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了加速器產(chǎn)生的中微子vμ 在飛行中丟失，發(fā)生振蕩。該實(shí)驗(yàn)是用KEK加速器產(chǎn)生1GeV的vμ束，對準(zhǔn)超級(jí)神岡，發(fā)現(xiàn)vμ在飛行250千米后丟失了30%，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆?。?/p>

神岡探測器和IMB合作組還在1987年觀察到了1987A超新星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的中微子，為天體物理，宇宙學(xué)的研究提供了重要信息。

由于神岡實(shí)驗(yàn)對中微子做出的貢獻(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始人小柴昌俊分享了2000年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

2002年，KamLAND實(shí)驗(yàn)也觀察到了反應(yīng)堆中微子(ve)的振蕩。該實(shí)驗(yàn)使用一千噸的液體閃爍體為探測器，反應(yīng)堆距探測器180千米，發(fā)現(xiàn)近40%的ve丟失，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆印＊?/p>

以上的大量實(shí)驗(yàn)證明，中微子振蕩已是千真萬確的事實(shí)。

3 從中微子振蕩到中微子質(zhì)量

1962年日本物理學(xué)家Z.Maki等人提出了中微子振蕩的概念。他們認(rèn)為中微子在空間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩或稱混合。人們觀察到的味道本征態(tài)是一個(gè)質(zhì)量本征態(tài)的線性組合。每一味道成分有不同發(fā)生的頻率。當(dāng)距離增加時(shí)，中微子味道成分將隨質(zhì)量本征態(tài)相位的變化而變化。這種味道的遷移稱為中微子振蕩。

前面已經(jīng)說過，中微子有振蕩的事實(shí)已被證實(shí)，因而可得出中微子質(zhì)量不為零的結(jié)論，這與標(biāo)準(zhǔn)模型假定中微子質(zhì)量為零的假設(shè)相矛盾。這是對標(biāo)準(zhǔn)模型極大的挑戰(zhàn)。

中微子振蕩也說明輕子數(shù)不守恒是存在的，這一點(diǎn)也是對標(biāo)準(zhǔn)模型的突破。

4 三代中微子的混合

標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子有三代，因此應(yīng)該考慮三代中微子的混合。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子質(zhì)量為零，而在我們考慮中應(yīng)允許中微子帶有質(zhì)量。

中微子質(zhì)量測量還在其他類型實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。如用氘的β譜尾端擬合方法可直接得到ve的質(zhì)量mve<2.2eV。無中微子的雙β衰變76Ge實(shí)驗(yàn)得到mββ<0.35eV。宇宙學(xué)給出的中微子質(zhì)量為0.7-1.8eV。威爾金森微波各向異性探測器給出的結(jié)果是：mv<0.23eV。

以上質(zhì)量上限都與中微子振蕩的結(jié)果是不矛盾的。

三種中微子混合矩陣U的提出是對標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展，但從理論高度如何理解，如何給出精確的值，近年來理論家做了大量的工作，但多是唯象的。2006年，李政道和R.Freidberg從對稱性原理推導(dǎo)出U，用3個(gè)參數(shù)表示6個(gè)可測量的量，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好?？梢哉f這是從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)三種中微子混合邁進(jìn)了一大步。

5 未來實(shí)驗(yàn)展望

為了得到更精確的θ值和Δm值 ，確認(rèn)是否存在中微子的CP破壞，是否存在第四種中微子，這都需要更多的，更新的數(shù)據(jù)。一些大型實(shí)驗(yàn)已建成，或即將建成，如MINOS，OPERA，ICARUS和JHFnu等。其特點(diǎn)是加速器束流強(qiáng)，能量高，可產(chǎn)生較多的vτ，探測器尺寸較大，質(zhì)量大，探測中微子效率高，分辨率高。

在三個(gè)混合角中大家十分關(guān)心θ13的值，因其是混合矩陣重要的參數(shù)之一，其值很小，測量的難度也增加了。目前給出的精度很差。只有精確地確定θ13值才能給出完整的U矩陣，才可以了解與CKM矩陣的區(qū)別。θ13的大小與中微子CP破壞直接有關(guān)，對了解中微子是否存在CP破壞是十分關(guān)鍵的。為此，物理學(xué)家進(jìn)行了大量的努力，提出許多利用反應(yīng)堆精確測量θ13的計(jì)劃。

中國物理學(xué)家注意到我國大亞灣有大功率原子能發(fā)電站群，總功率為12GW，占世界第二位。周圍又有許多山體可供屏蔽用，可大大減小本底，于是他們提出利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子，建造相應(yīng)的探測裝置來測量θ13混合角的科研計(jì)劃。該計(jì)劃得到美國等國科學(xué)家的響應(yīng)，現(xiàn)已形成國際合作組，并得到了中國科學(xué)院、科技部及美國有關(guān)單位的支持。一個(gè)以我國為主的大型國際合作項(xiàng)目正在順利進(jìn)行中，工程建設(shè)已起步，其最終目標(biāo)是將θ13的精度提高到1%左右。

6 中微子與宇宙學(xué)、天體物理

宇宙大爆炸在大爆炸開始就伴隨著大量中微子的產(chǎn)生，一秒之后它們就與物質(zhì)分離，自由地蒸發(fā)到宇宙深處。在膨脹過程中，它們的平均溫度變得比微波背景輻射還要低，能量只有0.2MeV。如果能夠探測到這種低能中微子，無疑對認(rèn)識(shí)大爆炸過程有重要作用。

在探討暗物質(zhì)是什么的今天，自然也把中微子作為暗物質(zhì)的候選者之一來討論，因?yàn)橐詞100/cm3密度，中微子充滿宇宙，而中微子是有質(zhì)量的，因此中微子會(huì)對宇宙貢獻(xiàn)出可觀測物質(zhì)以外的質(zhì)量。

許多天體放射出中微子，可作為探測天體的探針來研究天體本身的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部反應(yīng)的過程，了解它們的起源和演化。

太陽中微子使我們最初捕捉到中微子振蕩的信息，而對太陽中微子仔細(xì)的研究又會(huì)使我們深入了解在太陽中發(fā)生的核聚變過程中pp鏈的反應(yīng)率，CNO鏈反應(yīng)截面。了解氫燃燒的反應(yīng)對超新星起源和演化有重要作用。

1987A超新星爆發(fā)時(shí)，人們偶然地探測到飛出來的19個(gè)中微子事例，經(jīng)過分析后，幫助我們了解超新星爆發(fā)，認(rèn)識(shí)重質(zhì)量星爆發(fā)坍縮，隨后質(zhì)子、中子星冷卻并放出中微子的過程。

可想而知，如果我們瞄準(zhǔn)天體（超新星，超新星殘余體，雙星，活動(dòng)星系核，類星體等），探測它們發(fā)射出的大量的中微子，得到中微子通量和能譜的信息，定會(huì)對了解這些天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有極大幫助。超級(jí)神岡Ⅱ的切侖科夫探測器有效體積水增至3萬2千噸，是用來觀測銀河系，小麥哲倫云團(tuán)范圍內(nèi)超新星爆發(fā)所發(fā)射出的中微子，已在運(yùn)行中，正等待超新星爆發(fā)。還有許多觀測計(jì)劃正在實(shí)施當(dāng)中。由于從這些天體發(fā)出的都是高能中微子，因此也都使用大型切侖科夫計(jì)數(shù)器來探測，例如地中海水下的Antares探測器和在南極造一個(gè)1立方千米大冰球組成的Amanda切侖科夫計(jì)數(shù)器，用來探測來自天體的高能中微子。

已有的一些中微子探測器擬測量地球內(nèi)部的放射性核素在β衰變時(shí)放射出的中微子譜來了解地球內(nèi)部的信息。

中微子將粒子物理、核物理、宇宙學(xué)、天體物理緊緊地聯(lián)系在一起，逐漸地形成了中微子物理分支學(xué)科。

(欄目編輯廖伯琴)