盤點八個著名中微子實驗：未能真正挑戰(zhàn)相對論

1.日本Super-Kamiokande中微子實驗

中微子是一種極其微小的基本粒子。對于宇宙中的每一個質(zhì)子或電子來說，可能都至少有10億個中微子?？茖W(xué)家們需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因為它們與物理學(xué)許多領(lǐng)域都存在緊密聯(lián)系。這種無處不在的粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內(nèi)就開始存在，在元素的放射性衰變中、恒星的核反應(yīng)中以及超新星爆炸過程中都會產(chǎn)生新的中微子。

美國費米實驗室“迷你升能器中微子實驗”項目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說，“它們是宇宙中的一種主要粒子，但我們至今對其知之甚少?！敝形⒆又噪y以理解，主要原因在于它們幾乎不能與其他物質(zhì)結(jié)合。與常見的電子不同的是，中微子沒有電磁電荷；它們質(zhì)量非常輕，以致于科學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為它們根本沒有質(zhì)量。探測它們需要緊密監(jiān)測一大容器物質(zhì)(如水)，中微子撞擊到其他粒子時，會產(chǎn)生可觀測到的變化。如，本圖所示的是日本Super-Kamiokande中微子實驗環(huán)境，研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個探測器由一個裝滿5萬噸水的大容器和11000多根光倍增管組成。

2.β衰變

科學(xué)家們最早是在β衰變過程中開始關(guān)注這種微型粒子的。20世紀(jì)初，研究人員注意到β衰變中的一些奇怪現(xiàn)象。如果釋放出來的粒子只有電子，那么β衰變這個過程似乎違背了物理學(xué)定律，即能量守恒和動量守恒。當(dāng)時沒有人知道為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而，在每個新實驗結(jié)果中，違背物理學(xué)定律的證據(jù)變得越來越有力。

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家沃爾夫?qū)?保羅開始懷疑，核衰變過程可能比此前認(rèn)為的更復(fù)雜。

如果一個原子在β衰變過程中也輻射出其他事物，那么這些違背物理學(xué)定律的矛盾就迎刃而解了。這種所謂的其他事物，應(yīng)該就是中微子。

但是，如果中微子存在，它們必須非常輕，而且難以交互。沒有人看到過符合這種條件的粒子，也沒有人想到較好的辦法去發(fā)現(xiàn)它們。

在相當(dāng)長一段時期內(nèi)，科學(xué)家一直認(rèn)為探測中微子是不可能的。

3.發(fā)現(xiàn)中微子實驗

1956年，研究中微子的物理學(xué)家們有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年內(nèi)，美國人在原子武器項目中建起了多個核反應(yīng)堆。許多研究人員認(rèn)識到，這些核反應(yīng)堆每秒每平方英寸內(nèi)輻射出300萬億個中微子，因此可以用來探測中微子。盡管中微子很難與其他物質(zhì)結(jié)合，但是也存在一種微弱的可能性，即存在足夠多的物質(zhì)，一個中微子應(yīng)該可以撞擊到某種事物。

在β衰變的反過程中，這種直接撞擊可以產(chǎn)生伽馬射線。當(dāng)時，物理學(xué)家克萊德-科萬和弗里德里奇-雷恩斯研制一個探測器并置放到南卡羅來納州薩瓦那河電廠附近，只要反應(yīng)堆開啟，他們的實驗就有可能首次探測到中微子。雖然科萬于1974年就已去世，但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎。

4.加拿大薩德伯里中微子實驗

幾乎所有的中微子都產(chǎn)生于太陽內(nèi)部巨大的核反應(yīng)堆中。天文學(xué)家希望能夠捕獲這些中微子，因為它們之中包含有太陽內(nèi)部的重要信息。1964內(nèi)，物理學(xué)家雷-戴維斯和天文學(xué)家約翰-巴卡爾在美國南達(dá)科塔州的霍姆斯塔克礦中建立起一個實驗環(huán)境用于發(fā)現(xiàn)這些中微子。這種探測器需要建于深深的地下，是因為闖入地球大氣層的宇宙射線可能會干擾實驗結(jié)果。

在霍姆斯塔克實驗環(huán)境建成并開始運行后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象。根據(jù)他們的計算，太陽的中微子應(yīng)該比他們實際探測到的三倍還要多。因此，科學(xué)家們從頭再來，試圖尋找計算過程中的錯誤和漏洞，并更正估算結(jié)果。但是，他們?nèi)匀粺o法發(fā)現(xiàn)自己錯在哪里。霍姆斯塔克實驗運行了30多年，總是得出同樣的結(jié)果。天文學(xué)家懷疑自己的太陽模型可能是完全錯誤的。這一問題一直持續(xù)到上世紀(jì)90年代中期。這時，研究人員發(fā)現(xiàn)了中微子其實有三種不同的類型，β衰變過程中或太陽內(nèi)部產(chǎn)生的中微子是電子中微子，而其他過程中產(chǎn)生的粒子則是緲子中微子與濤中微子，霍姆斯塔克實驗中探測到的就是電子中微子。在從太陽飛往地球的過程中，電子中微子會轉(zhuǎn)變成其他類型。因此，霍姆斯塔克實驗就無法探測到其他兩種中微子。

隨著新探測器的出現(xiàn)，三種中微子都被探測到，那這種謎團就不再存在。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。此前，一些科學(xué)家認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量，而不同類型中微子之間的轉(zhuǎn)變需要粒子擁有質(zhì)量。2001年，加拿大薩德伯里中微子實驗室探測到所有三種來自太陽的中微子。

5.IMB探測器

上世紀(jì)80年代，科學(xué)家被一個與中微子無關(guān)的問題所困擾。一些理論家認(rèn)為，被公認(rèn)為穩(wěn)定的粒子--質(zhì)子應(yīng)該可以衰變成更輕的亞原子粒子。如果這一說法正確，那么這將是物理學(xué)家長期以來夢寐以求的結(jié)果，從而可以形成一個統(tǒng)一的理論，將電磁作用力、強作用力和弱作用力理論融合在一起。如果質(zhì)子會衰變，這將會對地球上的生命造成很大的麻煩，人體內(nèi)的原子可能混亂地轉(zhuǎn)變成其他元素。因此，理論家認(rèn)為，質(zhì)子可能會衰變，但速度極為緩慢，時間表甚至比宇宙年齡的20個數(shù)量級還要長。

為了驗證這一結(jié)論，科學(xué)家們在一個盛滿水的大容器中監(jiān)測質(zhì)子的數(shù)量。為了保證實驗不受干擾，實驗環(huán)境必須建設(shè)于地下。闖入大氣層的宇宙射線也可能會產(chǎn)生中微子，這些中微子可能會進(jìn)入地下。由于穿過探測器的中微子看起來非常像一個衰變的質(zhì)子，因此研究人員需要弄清楚他們可能會看到多少中微子。在測量過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了非常怪異的現(xiàn)象。來自實驗環(huán)境以上的中微子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于下部抵達(dá)的中微子，比例大約是2：1。歷經(jīng)10年的困擾，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)，中微子在飛行過程中，來自地底的中微子有時間轉(zhuǎn)變成不同類型的中微子，由于實驗設(shè)備只對一種中微子敏感，因此就錯過了發(fā)生變異的其他中微子。這一發(fā)現(xiàn)證明了中微子在長距離飛行過程中會發(fā)生性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

本來用于探測質(zhì)子的實驗，發(fā)現(xiàn)了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然沒有人能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變。本圖所示，一名潛水員在俄亥俄州的IMB探測器中游泳。這個探測器建造于上世紀(jì)80年代初，本來用于探測質(zhì)子是否衰變，反而幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。

6.液體閃爍器中微子探測器實驗

1993年，科學(xué)家們在洛斯阿爾莫斯國家實驗室中建造了液體閃爍器中微子探測器。他們的目標(biāo)就是弄清楚中微子是否能夠從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型。液體閃爍器中微子探測器的著名之處在于它發(fā)現(xiàn)了電子反中微子。對于這一怪異的發(fā)現(xiàn)，最好的解釋就是新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。液體閃爍器中微子探測器的發(fā)現(xiàn)表明可能存在第四種或更多類型的中微子。第四種中微子的存在將對現(xiàn)有的粒子物理學(xué)模型發(fā)起巨大的挑戰(zhàn)，但它也可以用來解釋某些未解謎團，如超新星爆炸的細(xì)節(jié)等。不過，許多研究人員仍然對液體閃爍器中微子探測器的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，這一發(fā)現(xiàn)又成為中微子物理學(xué)中的一大謎團。

7.迷你升能器中微子實驗

從2002年起，美國費米實驗室科學(xué)家開始啟動新的探測實驗--“迷你升能器中微子實驗”，該實驗的目的就是證實或否定液體閃爍器中微子探測器實驗的發(fā)現(xiàn)成果。他們最初的結(jié)果似乎證明液體閃爍器中微子探測器實驗結(jié)果有誤，但是進(jìn)一步的實驗數(shù)據(jù)發(fā)生了變化?！懊阅闵芷髦形⒆訉嶒灐表椖堪l(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說，“現(xiàn)在看起來，迷你升能器中微子實驗與液體閃爍器中微子探測器實驗的結(jié)果是一致的?！眱纱髮嶒灥慕Y(jié)果表明，仍然存在許多怪異現(xiàn)象。中微子科學(xué)家們需要建造更多的探測器和實驗設(shè)施去解答這些謎團。

8.長基線中微子實驗

為了完全揭開中微子之謎，科學(xué)家們需要新一代的探測設(shè)備。美國科學(xué)家們希望能夠獲批建造長基線中微子實驗設(shè)施，他們通過這一實驗或?qū)⒛軌蚧卮鹨粋€深奧的問題：宇宙為什么是由物質(zhì)組成的，而不是反物質(zhì)。這一設(shè)施將產(chǎn)生世界上強度最高的中微子束，并將它從美國費米實驗室發(fā)送到南達(dá)科塔州的霍姆斯塔克礦中。盡管這一實驗設(shè)施尚未正式獲得批準(zhǔn)建設(shè)，但該實驗已吸引了400多名科學(xué)家簽約加盟。