大亞灣實驗:辨析希微于九地之下

陳方正

大亞灣在深圳東邊，有大小梅沙兩個海灘，風(fēng)景絕美，可是香港人對之總是神經(jīng)兮兮，原因自然是那里的核電站，它們離香港只有50公里，因此在80年代建造之初曾經(jīng)引起軒然大波，鬧得滿城風(fēng)雨；去年日本福島核電站事故爆發(fā)，又掀起新一輪恐慌?？墒?，上月大亞灣出現(xiàn)了正面的大新聞，卻引不起公眾興趣，在香港，在大陸都一樣。這自然是因為它專業(yè)性太強，意義不容易說得清楚的緣故。其實，這新聞是中國科學(xué)走向成熟和國際化的一個重要里程碑，是很值得關(guān)注和了解的。

中國實驗科學(xué)的里程碑

到底是什么新聞呢？簡而言之，就是一個以中國科學(xué)院高能物理研究所為首的龐大國際組合（包括中國大陸和港臺地區(qū)、美國、俄羅斯、捷克的38支隊伍，統(tǒng)共兩三百人之多）利用大亞灣6個核電反應(yīng)堆所產(chǎn)生的大量中微子，做了一個清晰可靠的實驗，證明目前所知道的3類中微子（e, mu, tau）之中的 e中微子的確有所謂“短程振蕩”。也就是說，飛行的e中微子會在一兩公里那么短的距離自然地變換為mu和tau中微子，然后又變換回原來的e狀態(tài)，如此周而復(fù)始，循環(huán)不息。其實，中微子之間的“長程”（數(shù)十以至數(shù)百公里）振蕩，以及（mu, tau）中微子對之間的短程振蕩都早已經(jīng)測定了。所以，平心而論，這個發(fā)現(xiàn)只是人類探索物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)漫長進程中的小小一步 （雖然如下面所提到，它很可能還有更重要意義），但對于中國來說，則無異是開天辟地第一步，是趕在法國、韓國等競爭對手之前完成的。這樣，從80年代建造對撞機至今，經(jīng)過30年努力，中國也終于在最前沿、最基本的粒子物理學(xué)實證工作上，作出決定性貢獻了。

要真正明白這貢獻的意義，還得從中微子的歷史說起。人類所知道的第一顆微觀粒子是電子，它是1897年發(fā)現(xiàn)的；跟著光子、質(zhì)子、中子相繼發(fā)現(xiàn)，它們?nèi)际菓{很清晰的實驗來證明的。中微子卻是1930年左右提出來，用以解釋beta衰變過程某些特點（即能量似乎不守恒）的假設(shè)性粒子。此后由于理論上的重要性，它逐漸被接受，但始終缺乏實驗證明，直到1956年方才有人利用核子反應(yīng)堆所產(chǎn)生的巨量中微子流而把它“逼出來”。實驗困難的基本原因在于：它既沒有像光子那樣的電磁作用，也沒有像質(zhì)子、中子那樣的“強作用”，而只有極其微弱的“弱作用”，因此和其他物質(zhì)的作用微弱到幾乎等于零：它即使穿越了一光年（3×1018厘米）那么厚的鉛板，平均也只會發(fā)生一次反應(yīng)！然而，微觀物理規(guī)律又具有奇妙的統(tǒng)計性質(zhì)，所以，倘若有大量中微子（例如3×1018顆）碰到幾米厚的探測物質(zhì)，那么也盡有可能發(fā)生反應(yīng)。中微子最初是在加拿大沙文那河谷（Savannah River）反應(yīng)堆發(fā)現(xiàn)的，那里的中微子流達到1013 每秒每平方厘米，所以用大體積探測器并經(jīng)過長時間觀測，就得到了中微子存在的證據(jù)。

在過去半個世紀，中微子物理學(xué)又經(jīng)歷了兩次革命。第一次是3種不同中微子的發(fā)現(xiàn)。上面所說的中微子是在beta衰變中伴隨電子出現(xiàn)的，稱為e中微子。但電子還有兩個“大哥”，即是質(zhì)量較大，性質(zhì)卻基本相同的mu和tau粒子，這三者統(tǒng)稱為“輕子”（lepton）。奇怪的是，伴隨這“3兄弟”出現(xiàn)的中微子各具不同反應(yīng)性質(zhì)，因此它們并不是相同粒子，分別稱為e、mu和tau中微子。第二次革命則是中微子“震蕩”的發(fā)現(xiàn)。大約從五十年代開始，太陽內(nèi)部產(chǎn)生能量的各種核反應(yīng)已經(jīng)研究得很清楚。我們因此知道，太陽正如一個超巨大核子反應(yīng)堆，會不斷產(chǎn)生和發(fā)射大量中微子（而且都是e-中微子），那即使在地球上，也還可以探測到。然而，多年的實際觀測卻顯示，太陽中微子流（即每秒流經(jīng)單位面積的數(shù)目）要比理論預(yù)言的少一大截。這個謎團終于在2000年左右解開：通過加拿大和日本兩地的大規(guī)模實驗，證明從太陽飛來的，不但有e中微子，還有大量mu和tau中微子。換而言之，“失蹤”的太陽e中微子是在飛往地球途中，通過“振蕩”而變換成為其他兩類中微子了。

所謂“振蕩”，是指粒子在不同狀態(tài)（不同類中微子可以視為處于不同狀態(tài)的中微子）之間的來回變換，而且，它是和這些狀態(tài)的微小質(zhì)量差別密切相關(guān)的。因此，“振蕩”的存在，意味中微子必然具有靜止質(zhì)量（本來我們以為它是零），雖然那極其微小，只相當(dāng)于最輕的粒子即電子的百萬分之一以下。復(fù)雜的是：在e、mu、tau等狀態(tài)的中微子并沒有確定的質(zhì)量，它們其實是標(biāo)簽為1、2、3等另外3種中微子狀態(tài)的組合，后面三類狀態(tài)方才有確定質(zhì)量。總的來說，實際上一共有6個有關(guān)中微子的物理量需要決定：即每一對狀態(tài)的質(zhì)量平方差，那決定振蕩的頻率；以及它們的相對“相角”（phase angle），那決定振蕩的幅度，即變換的最大或然率。通過10多年的努力，這6個物理量基本上都已經(jīng)測定，唯一剩下的就是第1和第3中微子狀態(tài)之間的振蕩相角theta-13。多年來它的數(shù)值被認為很小，甚至可能是零。大亞灣實驗所做的，就是測定這相角（實際上是它雙倍的正弦函數(shù)之平方），證明它雖然只有8.8度，但并不是零。這特殊相角并不“消失”有很深遠的重要性：它使得CP-對稱有可能在中微子振蕩中不守恒，而這又可能令我們了解，為何宇宙間物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量不對稱，也就是為何宇宙絕大部分是由物質(zhì)構(gòu)成。

科學(xué)的無用之用

這實驗是怎樣做的呢？基本構(gòu)想非常簡單，就是分別在離大亞灣核電站大約0.5~0.6公里和1.6公里的3個地下實驗室，探測核電反應(yīng)堆所產(chǎn)生的e中微子流，消除幾何因素之后，從它的遞減（測定結(jié)果大約是6%）就可以把相角theta-13推斷出來。這貌似簡單的構(gòu)想實行起來卻非常困難，主要原因在于所要觀察的效應(yīng)極小，而干擾訊號（主要來自宇宙射線）的雜音則極大，這是以前多個實驗都得不到確定結(jié)果的原因。大亞灣實驗所以能夠成功，主要靠兩個先天優(yōu)勢：首先，那里的核電站功率在世界前列，產(chǎn)生的中微子流很強。更具決定性的是，核電站位于高山旁邊，因此可以挖隧道到山腹中間開辟實驗室，這樣探測器可以得到100~300米厚的巖石覆蓋，大大減低了宇宙線的干擾。當(dāng)然，要充分發(fā)揮這優(yōu)勢，精密設(shè)計和最先進儀器的應(yīng)用也不可或缺，那就是為何需要龐大經(jīng)費（單是探測儀器已需好幾億人民幣），以及多國（地區(qū)）、多隊伍合作的理由了。老子有云：“視之不見名曰夷，聽之不聞名曰希，搏之不得名曰微。此三者不可致詰，故混而為一?！边@應(yīng)該說是古代思想與中微子性質(zhì)（包括它的類別、難以捕捉和能夠相互轉(zhuǎn)變）最貼切、最奇妙的不謀而合。而孫子說“善守者藏于九地之下”，像日本的“超級神田”中微子探測器放在地下一公里的礦坑，大亞灣的中微子實驗室藏身山腹，也都可謂九地之下的希微探究了。

中微子物理學(xué)是物質(zhì)最根本結(jié)構(gòu)探索的一部分，它從30年代發(fā)端，至今已經(jīng)有80年歷史，其間吸引了無數(shù)第一流心智為之廢寢忘餐，所耗費資源也不斷猛增，以至今日每個實驗動輒以十?dāng)?shù)億元計算。但這一切為的究竟是什么呢？在西方，探究宇宙奧秘自古以來就是大傳統(tǒng)，它起源于對永生的盼望，其后則演變?yōu)橐环N理念，一種不計較實用價值，以智能、知識本身為目的的追求。這觀念直到17世紀培根提出“知識就是力量”的口號方才轉(zhuǎn)變。從那時開始，純科學(xué)就顯示出它的實際意義，帶來無窮力量與財富了。自“五四”運動以至今日，中國人對科學(xué)的向往，都是從這角度出發(fā)的。然而，最奧妙尖端的科學(xué)，是否一定有實際用途呢？誠然，像相對論、正電子、原子裂變這些一度被認為無用的理論、發(fā)現(xiàn)，今日都已經(jīng)成為科技應(yīng)用的核心部分，甚至像時空彎曲那樣深奧、微妙的理論，也成為衛(wèi)星定位技術(shù)所必需了。然而，即使如此，我們無疑仍然可以追問：像中微子那樣虛無縹緲，不可捉摸的粒子，或者像夸克(quark)那樣永遠被“幽禁”，絕對無法直接觀察的事物，除了作為物理學(xué)的基礎(chǔ)觀念以外，還真能有其他用途嗎？像宇宙膨脹、黑質(zhì)量、黑能量那些百十萬光年之外的事物，又能夠?qū)ξ覀冞@渺不足道的地球和人世，產(chǎn)生什么直接影響嗎？答案可能都是“的確沒有，也不能”—雖然這一切可能就在明天，以絕對意想不到的方式改變！但在今天，我們能夠說的只是：無論如何，宇宙的根本探索還是值得，還是重要的，因為滿足無窮好奇心，也就是對純粹知識的恒久追求，是人類文明最根本的動力之一。

后記：此文蒙香港中文大學(xué)物理系朱明中教授細讀并提供寶貴意見，謹此致謝。朱教授不但直接參與大亞灣實驗，而且在2003年即與中文大學(xué)、香港大學(xué)以及加州大學(xué)伯克萊分校的同行朋友共同推動此實驗的開展。