中微子趣史

○湯雙

一

中微子是一種不帶電、質(zhì)量近于零的基本粒子，屬于基本粒子大家庭中的輕子一族（輕子包括電子、μ子、τ子、它們的反粒子及與之相伴的六種中微子）。中微子自打一出現(xiàn)就充滿了戲劇性，其魅力經(jīng)八十余年而不衰。在近代物理學(xué)中，可以說它是故事最多的基本粒子。

泡利（Wol fgang Paul i，1900-1958,獲1945年諾貝爾物理獎）被尊為中微子之父。此人在物理界是出了名的壞脾氣，經(jīng)常先入為主，總以否定別人為己任，講起話來很不客氣，常常讓人下不來臺。物理圈里流傳著不少有關(guān)泡利“惡行”的故事。一個挺典型的實例發(fā)生在1954年，那年楊振寧和米爾斯提出了在近代物理理論中具有舉足輕重地位的楊-米爾斯規(guī)范場理論。由于該理論當(dāng)時還有一個關(guān)鍵的問題沒有解決——具有規(guī)范不變性的矢量玻色子，其質(zhì)量只能為零，絕大多數(shù)人都以為它沒有多少物理意義。同年二月，楊振寧在普林斯頓高等研究所就楊-米爾斯理論作報告，還沒講兩句，泡利就明知故問：“矢量玻色子的質(zhì)量是什么？”楊振寧知道這個問題是個陷阱，無論怎樣回答都會引起進一步的麻煩，于是選擇了最低調(diào)的應(yīng)對，答曰：“我不知道?！睋Q作任何其他人，大概就到此為止了。泡利卻不肯罷休，說：“這不足以作為擋箭牌?！眻雒媪r變得十分尷尬。楊振寧覺得報告無法繼續(xù)進行，干脆坐了下來。最后還是原子彈之父、時任高等研究所所長的奧本海默（J.R.Oppenheimer，1904-1967）站出來打圓場，楊振寧才得以將報告作完。泡利為人處世的風(fēng)格由此可見一斑。不過他的物理直覺極佳，雖然有點懷疑一切，在大多數(shù)時候事實卻往往最終證明他是對的。

1930年，核物理領(lǐng)域發(fā)生過一次嚴(yán)重的危機。在β衰變（原子核里的中子釋放出一個電子而變成帶正電的質(zhì)子）的過程中，似乎有一部分能量莫名其妙地“消失”了。當(dāng)時甚至連量子理論創(chuàng)始人波爾（Niels Bohr，1885-1962，獲 1922年諾貝爾物理獎）都認為在β衰變中能量可能不守恒（為此他被泡利不客氣地稱為驢子）。然而，泡利卻堅信能量守恒原理是放之四海而皆準(zhǔn)的普遍真理，所謂能量“消失”不過是因為β衰變中還存在一個無法探測到的第三者。在1930年12月4日給莉澤·邁特納（Lise Meitner，1878-1968）的信中，他第一次明確指出了中微子的存在——中微子從此在理論上誕生了。泡利在預(yù)言中微子存在的同時，也認識到中微子與其它物質(zhì)之間的相互作用是極其微弱的。他甚至不排除永遠無法探測到中微子的可能性。這不光是泡利一人的看法，很多大物理學(xué)家，例如貝特（Hans Bethe，1906-2005，獲1967諾貝爾物理獎）

等人，經(jīng)過估算后都相信“中微子顯然無法被看到”。所以中微子那時亦被稱為“鬼粒子”。

散射截面是衡量兩個粒子間發(fā)生相互作用難易程度的物理量，散射截面越大，發(fā)生相互作用的可能性就越大。這有點像打靶，靶越大，一槍命中的機會就越高。中微子與其它粒子的散射截面幾近于零，因而要想探測某個中微子（也就是觀測到它與其它粒子間發(fā)生相互作用）是千難萬難。不過，我們可以換個角度來看問題：盡管想一槍命中一個極小的靶很難成功，但如果用機關(guān)槍連續(xù)打出成千上萬發(fā)子彈，則打中的可能性將大大提高。中微子與其它粒子的散射截面雖小，但畢竟不是零。如果能在短時間內(nèi)產(chǎn)生出極大量的中微子去轟擊別的粒子，還是有希望從實驗上證實中微子的存在的。這種強大的中微子源是直到第一顆原子彈爆炸成功后才成為現(xiàn)實的。

二

原本是測試核武器專家的萊因斯(Frederick Reines,1918-1998)，也許是干膩了，1951年他提出申請，轉(zhuǎn)行去搞與物理理論相關(guān)的課題。有一次因為飛機延誤，他在堪薩斯機場候機時遇見了科溫(Clyde Cowan,1919-1974)，兩人半開玩笑地聊起來。由于核爆炸時會產(chǎn)生大量中微子，如果在離核爆中心很近的地方挖一口井，讓一個探測器在爆炸開始的瞬間自井口下落，有可能通過費米（Enrico Fermi,1901-1954,獲1938年諾貝爾物理獎）在1933年設(shè)想的反β衰變（質(zhì)子在吸收一個中微子之后，釋放出一個正電子而變?yōu)橹凶樱┒^測到中微子。他們一拍即合，很快成為合作伙伴。不過，他們真正設(shè)計的實驗是利用核子反應(yīng)堆而不是在核爆炸現(xiàn)場。

1953年，萊因斯和科溫開始在一座功率較小的反應(yīng)堆上進行實驗，未能得到令人滿意的結(jié)果。但他們并沒有放棄，1955年又將實驗搬到薩凡納河國家實驗室的大功率反應(yīng)堆。這一回結(jié)果極佳，每小時可以觀察到兩個中微子。在進行了反復(fù)實驗及核查后，他們最終確信中微子真的被觀測到了，并在1956年6月14日公布了實驗結(jié)果。萊因斯和科溫在第一時間給泡利發(fā)去了電報,“我們非常高興地告訴你，我們終于觀測到了中微子……測到的散射截面與理論一致?！迸堇幕仉婋m只有干巴巴的兩句“謝謝來電。懂得等待的人，終會得到想要的東西”，可他和朋友們喝了整整一箱香檳酒來慶祝。萊因斯因發(fā)現(xiàn)中微子而獲得1995年諾貝爾物理獎，科溫卻由于早逝而未能分享此一殊榮，成為一大憾事。

萊因斯和科溫的實驗開啟了進一步研究中微子特性的大門。大量的實驗揭示出中微子的另一怪異特點——具有與眾不同的手征性。手征性可以用陀螺作為一個簡單的例子來粗略說明：陀螺一頭尖一頭平，以尖的一端作為參照，就可以定義旋轉(zhuǎn)的陀螺的轉(zhuǎn)動方向（即手征性）——順時針或逆時針?；玖Ｗ右簿哂惺终餍浴２贿^，在粒子物理中不說順時針與逆時針，而說左旋與右旋。對大多數(shù)粒子來說，左旋與右旋是對稱的，即如果存在具有左旋的某種粒子，就一定也存在具有右旋的同種粒子。假如一個具有左旋的粒子去照鏡子，鏡子里看到的就是一個具有右旋的同種粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同種的右旋粒子而結(jié)果不變，這種相互作用就具有手征對稱性。然而令人費解的是，實驗中觀測到的中微子都是左旋的（反中微子則都是右旋的），世上似乎根本不存在右旋中微子。沒有右旋中微子的一個直接結(jié)果是，如果能讓一個中微子去照鏡子，鏡子里就將什么都沒有！有人懷疑中微子的這種不對稱性也許與宇宙的形成有關(guān)，可能是揭開宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)高度不對稱之謎的關(guān)鍵。

三

萊因斯

首次探測到中微子靠的是核子反應(yīng)堆。其實太陽就是一個超大型的反應(yīng)堆，它所發(fā)出的光和熱是產(chǎn)生于發(fā)生在其核心的熱核反應(yīng)。由于需要穿過厚厚的等離子體，在核心產(chǎn)生的能量要經(jīng)過上百萬年才能到達太陽表面。也就是說，我們現(xiàn)在沐浴的陽光是產(chǎn)生于百萬年之前的。但是，熱核反應(yīng)中產(chǎn)生的大量中微子卻可以幾乎不受阻滯地直達表面、飛離太陽。這就意味著，通過研究目前收到的太陽中微子，人們可以了解一些百萬年后太陽能的狀況。上世紀(jì)60年代末，巴赫恰勒（John Bachal l，1934-2005）借助基本的核物理和天體物理知識，從理論上計算了來自太陽的中微子流量。為了核實他的計算結(jié)果，巴赫恰勒建議他的朋友、實驗物理學(xué)家戴維斯（Raymond Davis，1912-2006）進行一項測量太陽中微子的實驗。為了排除其它外界因素的干擾，戴維斯將實驗室設(shè)在美國南達科他州的一個一千多米深的廢棄礦井里。根據(jù)巴赫恰勒的計算，戴維斯應(yīng)該每星期觀測到大約10個太陽中微子，然而實際觀測到的僅3個左右（這項實驗后來為戴維斯贏得了2002年的諾貝爾物理獎）。不少核物理學(xué)家用不同的模型對太陽的中微子流量進行了反復(fù)的計算，得出的結(jié)果都與巴赫恰勒的結(jié)果一致。然而戴維斯的實驗也無懈可擊，他有一條非常過硬的論據(jù)：如果是外界的其它來源造成了“污染”，觀測到的中微子數(shù)目只會比理論上的更多而不是更少。理論與實驗的巨大差異不但在物理界引起軒然大波，就連大眾媒體也摻和進來了，諸如“太陽病了”之類的文章隨處可見。

其實，解開這個謎團的鑰匙在幾年前就已經(jīng)被龐蒂科夫（Bruno Pontecorvo，1913-1993）打造好了，只不過在當(dāng)時沒有引起多少人的重視。龐蒂科夫是出生在意大利的猶太人，曾在費米領(lǐng)導(dǎo)的著名研究小組中工作過，一直從事核物理方面的研究。二戰(zhàn)時為了躲避納粹的迫害，流亡到美國，后來去了英國并參與過英國的原子彈計劃。可他又是蘇聯(lián)克格勃的間諜，1950年叛逃去了蘇聯(lián)。在20世紀(jì)60年代初，物理學(xué)家們就已經(jīng)知道中微子不止一種。通常說的中微子是指與電子相關(guān)聯(lián)的電子中微子，此外還有與另兩種輕子μ子和τ子相關(guān)聯(lián)的μ中微子和τ中微子。這三種中微子在物理上可以用具有不同的“味”來加以區(qū)分。龐蒂科夫在1967年提出了一個大膽的設(shè)想：如果中微子的靜止質(zhì)量不為零，中微子就可能“變味”，即電子中微子可以自動變成μ中微子、μ中微子可以自動變成τ中微子、τ中微子又能自動變成電子中微子，循環(huán)往復(fù)——這就是著名的中微子震蕩。然而物理界普遍相信中微子是以光速運動的，根據(jù)相對論，以光速運動的粒子其靜止質(zhì)量只能為零。這也是為什么龐蒂科夫的理論無人問津的根本原因。

有意思的是，龐蒂科夫的理論卻為太陽中微子的難題提供了一種非常自然的解釋：太陽的核反應(yīng)中產(chǎn)生的中微子雖然只有電子中微子（為此戴維斯設(shè)計的實驗只探測電子中微子），但如果它們在飛往地球的旅程中不斷重復(fù)電子中微子μ中微子τ中微子電子中微子的循環(huán)，那么實際到達戴維斯的探測器時，就是三種中微子，而不是單一的電子中微子。因而測到的電子中微子數(shù)量當(dāng)然就只有出發(fā)時的三分之一了。由此看來，巴赫恰勒的計算和戴維斯的實驗都沒有錯。為了證實來自太陽的中微子真的是三種“味”的混合體，1999年在加拿大薩德伯里一個三千多米深的礦井里安排了可以同時探測三種“味”的中微子的精密實驗，此次實驗測到的中微子總流量與理論計算值完全吻合，從而給“太陽中微子丟失”之謎畫下了一個完美的句號。龐蒂科夫若不是具有上面所說的那種復(fù)雜背景，他應(yīng)該有可能因提出中微子震蕩理論而獲得諾貝爾獎。

四

自20世紀(jì)70年代以來，為了研究中微子震蕩，科研人員進行了大量的科學(xué)實驗。其中最典型的是一系列測量不同“味”的中微子之間振蕩幾率（用來決定一種中微子轉(zhuǎn)換成另一種中微子之可能性的大?。┑膶嶒?。振蕩幾率一共有三種，其中兩種的數(shù)值已經(jīng)被準(zhǔn)確測定，分別為0.861和0.97。還剩一種，由于其數(shù)值比較小，因而難以測定。確定第三種振蕩幾率正是目前中微子實驗的熱點。

OPERA大概可以算是目前規(guī)模最大的中微子實驗。它運用位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究組織（CERN）超級質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生的高強度、高能量的μ中微子束向730公里之外、位于意大利中部的格蘭沙索國家實驗室傳送，其目的是觀測μ中微子與τ中微子間的振蕩現(xiàn)象。2010年5月31日，OPERA公布了從μ中微子束中探測到的τ中微子現(xiàn)象，為中微子振蕩提供了相當(dāng)過硬的證據(jù)。一年多之后，OPERA又在物理界投下了一顆新的巨型震撼彈。在一篇由174名科研人員署名的論文里，他們宣稱實驗中所測到的中微子速度比真空中的光速還快了6米/秒。這自然立即成了科學(xué)界的頭號新聞，因為此一結(jié)果如若真的屬實，則將動搖作為近代物理學(xué)兩大基石之一的相對論，整個物理學(xué)就可能發(fā)生翻天覆地的變化。盡管絕大多數(shù)物理學(xué)家都對這項實驗結(jié)果持懷疑態(tài)度，有些理論物理學(xué)家卻已經(jīng)開始籌謀為相對論尋找出路了。他們希望在現(xiàn)有的相對論框架下（即仍然保持真空中光速不可超越），為OPERA的這項實驗提供一項合理的理論解釋。比如有人提出，按照流行的宇宙學(xué)理論，在構(gòu)成宇宙的全部物質(zhì)中，暗能量占73%，暗物質(zhì)占23%，真正能“看到”的物質(zhì)僅占4%。假設(shè)暗物質(zhì)真的無所不在，如果它與光子間有哪怕極微弱的一點相互作用（這是一個很強的假設(shè)，因為到目前為止還沒有什么證據(jù)顯示暗物質(zhì)能與任何其它物質(zhì)發(fā)生相互作用），那么我們所測量到的光速或中微子的速度就不是真空中的速度，而是它們在介質(zhì)（暗物質(zhì)）中的速度。在介質(zhì)中出現(xiàn)超光速現(xiàn)象是不足為奇的，也不會動搖相對論的理論基礎(chǔ)。正當(dāng)這些理論物理學(xué)家們摩拳擦掌準(zhǔn)備搶占新的理論制高點時，2012年2月，突然又從圈內(nèi)傳出讓人瞠目結(jié)舌的消息：OPERA公布的實驗結(jié)果也許是個超級大烏龍！測到的中微子超光速數(shù)據(jù)可能只是由于電腦光纖的接頭松動而導(dǎo)致的誤讀。科學(xué)實驗就是這樣，有時候會讓人空歡喜一場。

盡管OPERA鬧了一個大笑話，中微子震蕩依然是物理界的熱門話題。不久之前，從我國大亞灣核電站傳出一個振奮人心的消息，由250名來自六個國家的科研人員組成的大亞灣中微子實驗國際合作組獲得了中微子第三種振蕩幾率的可靠數(shù)據(jù)。在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用了六個中微子探測器，完成了實驗數(shù)據(jù)的獲取、質(zhì)量檢查、標(biāo)度、修正和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，中微子第三種振蕩幾率為0.092、誤差0.017，從而首次證實了這種新的中微子振蕩模式的存在（在此之前，日本、美國和法國的實驗室也曾測量過這一振蕩幾率，但由于誤差較大，無法給出決定性的結(jié)論）。不少權(quán)威人士認為，如果最終證實實驗結(jié)果準(zhǔn)確無誤，它有可能成為首個在中國國內(nèi)完成的獲得諾貝爾物理獎提名的科研成果。

五

從泡利預(yù)言中微子的存在到今天，八十多年已經(jīng)過去了。人們對中微子的認識與那時已不可同日而語，然而仍然有一些根本性的問題有待從理論上和實驗上加以解決和證實。目前有兩種比較完備的中微子理論：一個由狄拉克（Paul Dirac，1902-1984，獲 1933年諾貝爾物理獎）提出，另一個來自物理奇才馬約拉納（Ettore Majorana，1906-1938），二者都可以對現(xiàn)存的所有實驗給出完美的解釋。如果中微子的靜止質(zhì)量為零，則這兩個理論永遠分不出優(yōu)劣。然而一系列有關(guān)中微子震蕩的實驗，基本肯定了中微子是有質(zhì)量的，因而對這兩個理論的最終判定也許已為期不遠了。八十多年來，中微子不時給物理界制造些“麻煩”，有時也帶來些意外的驚喜。我們對它的認識也在不斷深入。今天已經(jīng)有人開始從技術(shù)層面上考慮如何利用中微子的特性來造福人類，比如中微子可以穿透幾乎任何物體，如果能對它的發(fā)射和接收有效掌控，它可能成為長程通訊的理想載體。總之，中微子的故事仍在繼續(xù)，而且還會持續(xù)很久。