中微子介紹

董芳芳 平加倫

（1.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.江蘇省鹽城景山中學(xué)，江蘇 鹽城 224002）

2012年3月8日，以中國(guó)為主導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組對(duì)外宣布，發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩（θ13），并測(cè)量到其振蕩幾率sin22θ13為0.092.這一重要成果是對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項(xiàng)新的認(rèn)識(shí)，或有助于破解“反物質(zhì)之謎”.鑒于這一結(jié)果將對(duì)中微子物理未來(lái)的發(fā)展起決定性作用，大量中外媒體對(duì)此事件進(jìn)行了報(bào)道和評(píng)論.中微子是近年來(lái)物理研究的一個(gè)熱點(diǎn).近20多年來(lái)，世界上有6位研究中微子的科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng).對(duì)于普通民眾而言，關(guān)注更多的是中國(guó)科學(xué)家是否也能夠獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而對(duì)中微子的性質(zhì)和特點(diǎn)了解較少.作為一名物理專業(yè)的研究生，希望通過(guò)自己的方式，做些有關(guān)中微子的科學(xué)普及.本文將重點(diǎn)介紹什么是中微子，以及中微子振蕩的相關(guān)科學(xué)知識(shí).

1 神秘的中微子

中微子的發(fā)現(xiàn)起源于人們對(duì)β衰變的研究.1919年查德威克在研究β衰變時(shí)發(fā)現(xiàn)：β衰變中發(fā)射的電子能量與原子核的質(zhì)量虧損并不相符，而且，在β衰變中發(fā)射的電子并不是具有分立的能量，而是具有“連續(xù)的能譜”.β衰變過(guò)程中，依據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒，初態(tài)原子核和末態(tài)原子核的能量都取確定的值，所以電子的能譜應(yīng)該是分立的.那么β衰變中丟失的能量到哪里去了呢？是什么原因造成它的連續(xù)譜的呢？

β衰變中還有另一個(gè)情況似乎也很難解釋.以原子核147N的衰變?yōu)槔?，這種原子核在衰變前后的角動(dòng)量量子數(shù)都是整數(shù)，而放出的電子是自旋量子數(shù)為的粒子，結(jié)果這個(gè)過(guò)程前后的總角動(dòng)量也不相等.似乎角動(dòng)量也不守恒了！

為了解釋這一現(xiàn)象，很多科學(xué)家做了大膽的嘗試，甚至有人提出能量守恒定律在微觀過(guò)程中不嚴(yán)格成立，但都是以失敗告終.1931年泡利設(shè)想了一個(gè)最自然的辦法.他假定β衰變過(guò)程中還放出一個(gè)難以探測(cè)到的中性粒子，自旋為，其質(zhì)量十分小甚至為0，而且穿透力很強(qiáng)，稱為中微子（記為ν）.因此，β衰變過(guò)程應(yīng)當(dāng)寫成

其中，下標(biāo)e表示νe是與電子e相伴的中微子，上加一橫線表示反粒子.一方面，兩個(gè)原子核之間的能量差就要由電子和那個(gè)未知的中微子來(lái)分配，電子可能拿到獲得全部的衰變能，也可能一點(diǎn)都不獲得，各種情況都有可能，因此測(cè)到的電子能量取連續(xù)值.另一方面，兩個(gè)自旋量子數(shù)為的粒子的總角動(dòng)量是整數(shù)，可以滿足衰變前后總角動(dòng)量不變的要求.

泡利的假設(shè)簡(jiǎn)單明了，使不少實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家千方百計(jì)地設(shè)法去尋找那個(gè)神秘的中微子.中微子不帶電，只參與弱相互作用，很容易穿透密密的物質(zhì)層，甚至可以穿透整個(gè)地球而不被任何物質(zhì)吸收，也不會(huì)留下任何痕跡，所以中微子極難測(cè)量.正因?yàn)槿绱?，直接探測(cè)中微子的存在就成為一項(xiàng)異常艱難的工作.

1941年，我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌提出一個(gè)極富開創(chuàng)性的建議，他想到用K俘獲過(guò)程的方法來(lái)測(cè)定中微子.這種過(guò)程中，放射性原子核不是放射電子，而是從最靠近核的K層軌道上吸收一個(gè)電子，產(chǎn)生如下過(guò)程：

這里衰變后只有兩個(gè)粒子，一個(gè)為中微子，一個(gè)為反沖核，這是一個(gè)二體的過(guò)程.由反沖核的能量和動(dòng)量可以準(zhǔn)確地得到中微子的動(dòng)量和能量，從而確切地證明中微子的存在.根據(jù)這個(gè)想法，王淦昌建議用74Be來(lái)做實(shí)驗(yàn).同年，阿倫（J.S.Allen）做了這個(gè)74Be實(shí)驗(yàn)，但由于戰(zhàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件不夠理想，沒(méi)能觀察到單能的反沖核73Li.直到1952年，羅德拜克（G.W.Rodeback）和阿倫在大大改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件后，再用3718Ar做K俘獲實(shí)驗(yàn)時(shí)，才第一次觀測(cè)到了單能量的反沖核3717Cl.同年，戴維斯（R.Davis）做了74Be的K電子俘獲實(shí)驗(yàn)，并且觀測(cè)到73Li.他們證明了過(guò)程中丟失的動(dòng)量和能量正好符合中微子的要求，由此計(jì)算出的中微子質(zhì)量確實(shí)很小，近于零，同時(shí)也證明了放出的中微子只有一個(gè)而不是幾個(gè).

電子俘獲實(shí)驗(yàn)間接證實(shí)了中微子的存在，更為直接的實(shí)驗(yàn)是對(duì)已放射出來(lái)而脫離了源的中微子進(jìn)行探測(cè).柯溫（C.L.Cowan）和萊茵斯（F.Reines）用了200L水和370加侖液體閃爍體做成探測(cè)器，埋在美國(guó)一個(gè)核反應(yīng)堆附近很深的地下，來(lái)探測(cè)核反應(yīng)堆放射出來(lái)的極強(qiáng)的中微子束（實(shí)際是反中微子束），經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，才成功地探測(cè)到為數(shù)不多的中微子.這是實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到中微子.將近40年后的1995年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給萊茵斯，十分可惜的是另外一位發(fā)現(xiàn)者柯溫早已去世，失去了獲獎(jiǎng)的機(jī)會(huì).

反中微子ˉν被探測(cè)后，人們又試圖在試驗(yàn)中探測(cè)中微子ν.早在1946年意大利蓬科特爾沃就提出一種方法：由于吸收一個(gè)中微子就會(huì)變成并且發(fā)射一個(gè)電子，即.美國(guó)人戴維斯等人從1956年開始進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，直到1968年才取得成功.他把610t四氯乙烯注入一個(gè)直徑6m，長(zhǎng)15m的大筒中，做成一架“中微子望遠(yuǎn)鏡”，并安裝在一個(gè)很深的礦井中.戴維斯利用這個(gè)裝置探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)的中微子，并且證明了中微子可以引起的現(xiàn)象，反中微子不能再現(xiàn)等.這個(gè)事實(shí)說(shuō)明了確實(shí)存在兩種不同的中微子：中微子和反中微子.

以上的中微子都是在電子的放射（β衰變）和吸收（K俘獲）過(guò)程中產(chǎn)生的，這類中微子稱為電子中微子νe.1937年，科學(xué)家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量是電子207倍的粒子.科學(xué)家剛開始以為找到了1935年湯川秀樹預(yù)言的傳遞核力的粒子，后來(lái)被證實(shí)，這種粒子與核力無(wú)關(guān)，它的性質(zhì)反而與電子很接近，被命名為μ子.是否存在與電子中微子νe不同的而與μ子相關(guān)的μ子中微子νμ呢？這個(gè)問(wèn)題需要實(shí)驗(yàn)來(lái)回答.

1962年，萊德曼（L.M.Lederman）、舒瓦茨（M.Schartz）和斯坦伯格（J.Steinberger）在長(zhǎng)島的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的33GeV加速器上進(jìn)行的雙中微子實(shí)驗(yàn)證明了μ子中微子和電子中微子不是同一種粒子.他們用15GeV的高能質(zhì)子束攻擊鈹靶產(chǎn)生π介子束，π介子衰變?yōu)棣套雍挺套又形⒆?，μ子中微子通過(guò)15t的火花室后可產(chǎn)生帶電的μ子，而不是電子，證明了νμ不同于νe，發(fā)現(xiàn)中微子有“味”的屬性.他們因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)第2種中微子——μ子中微子而獲得1988年的諾貝爾獎(jiǎng).

20世紀(jì)90年代，美國(guó)的斯坦福大學(xué)直線加速器中心和歐洲的核子中心通過(guò)Z0衰變寬度的測(cè)量，證明中微子只有3代，即除了電子中微子、μ子中微子和τ子中微子以及它們的反粒子之外，不會(huì)再有新的中微子出現(xiàn)了.而在2000年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Donut實(shí)驗(yàn)探測(cè)到了第3種中微子，即τ子中微子.3種中微子的性質(zhì)如表1所示.

表1

粒子物理在上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)取得的重大進(jìn)展是建立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型.標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這3種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論.標(biāo)準(zhǔn)模型也認(rèn)為中微子有3代，但是是否有第4代中微子？我們還不得而知.

2 中微子振蕩

在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，人們一直認(rèn)為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的，永遠(yuǎn)以光速飛行，3種中微子之間不會(huì)有任何變化.但是上個(gè)世紀(jì)60年代末，科學(xué)家在測(cè)量太陽(yáng)中微子數(shù)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的中微子數(shù)量只有預(yù)期的1／3.2／3的太陽(yáng)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，這就是著名的“太陽(yáng)中微子短缺”之謎.為了解釋這一現(xiàn)象，有人提出：部分中微子在空間傳播時(shí)，會(huì)從一種類型轉(zhuǎn)變成另外一種類型（然后再變回來(lái)），這就是所謂的中微子振蕩.如果中微子之間發(fā)生振蕩，那么就要打破標(biāo)準(zhǔn)模型的束縛，認(rèn)為中微子有質(zhì)量，即便質(zhì)量很小.

倘若我們用1、2、3來(lái)標(biāo)記這些有質(zhì)量的中微子，不同的θ角代表不同類型中微子之間的混合關(guān)系，那么原則上3種中微子之間相互振蕩，應(yīng)該有3種模式，其中兩種模式自上個(gè)世紀(jì)60年代即有跡象，即電子中微子與μ子中微子之間的振蕩，用θ12來(lái)表示，與“太陽(yáng)中微子之謎”有關(guān)；μ子中微子和τ子中微子之間的振蕩，用θ23來(lái)表示，產(chǎn)生“大氣中微子之謎”.1998年，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)正式發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩，隨后太陽(yáng)中微子振蕩也被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí).2002年的諾貝爾獎(jiǎng)授予了第1個(gè)測(cè)到太陽(yáng)中微子并發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子短缺的美國(guó)科學(xué)家戴維斯和第1個(gè)探測(cè)到太陽(yáng)系以外（超新星SN1987A）的中微子的日本科學(xué)家小柴昌俊.中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)間接證明了它們具有微小的質(zhì)量，不過(guò)這個(gè)質(zhì)量非常非常小，目前還沒(méi)有測(cè)出來(lái)，它們的飛行速度非常接近光速，到現(xiàn)在也沒(méi)有測(cè)出與光速的差別.

然而，第3種電子中微子和τ子中微子之間的θ13振蕩一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在（即振蕩幾率為0），那么第3種振蕩是否存在，成為國(guó)際物理學(xué)界合作和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn).

中國(guó)科學(xué)院高能物理所的研究人員自2003年起開始進(jìn)行大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的前期研究，并根據(jù)大亞灣的地理特點(diǎn)，提出了原創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)方案和探測(cè)器設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)裝置建在廣東省大亞灣核電站附近的山腹內(nèi)，其物理目標(biāo)是通過(guò)探測(cè)核電站反應(yīng)堆在發(fā)電時(shí)的自然產(chǎn)物——中微子，來(lái)尋找中微子的第3種振蕩θ13，其震蕩幾率用sin22θ13來(lái)表示.為什么選擇在大亞灣做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？大亞灣核電基地的?yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，一是功率名列世界第二，能提供大量反中微子；二是核電站靠近山，適于建造地下實(shí)驗(yàn)大廳，以提供足夠的屏蔽.對(duì)低能量、低事例率、高精度的中微子實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，減少宇宙射線和天然放射性本底是最重要的前提.世界上其他可能用來(lái)做此類實(shí)驗(yàn)的核電站附近都缺乏足夠的巖石覆蓋.

由于大亞灣獨(dú)一無(wú)二的地理?xiàng)l件，這一測(cè)量方案很快得到國(guó)際同行的支持.目前匯集了來(lái)自中國(guó)大陸、美國(guó)、俄羅斯、捷克、中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣等6個(gè)國(guó)家和地區(qū)的200多名科學(xué)家共同參與.國(guó)際團(tuán)隊(duì)在地下挖了大洞（防止太陽(yáng)中微子干擾），布置了離核電站遠(yuǎn)近不同的幾個(gè)探測(cè)器.如果靠近核電站的探測(cè)器和較遠(yuǎn)的探測(cè)器結(jié)果明顯不一，就說(shuō)明中微子在這段旅程中變身了.

大亞灣實(shí)驗(yàn)方案于2006年獲批立項(xiàng)，次年10月破土動(dòng)工，2010年12月完成核電站附近的全部爆破任務(wù)，2011年年中逐步完成了探測(cè)器的建造與安裝，2011年8月開始近點(diǎn)取數(shù)，2011年12月24日開始在遠(yuǎn)近點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行.

在2011年12月24日至2012年2月17日的實(shí)驗(yàn)中，科研人員使用了其中6個(gè)中微子探測(cè)器，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、質(zhì)量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析.這55天收集到的數(shù)據(jù)中，實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)，近探測(cè)器共探測(cè)到80 376個(gè)反中微子，而遠(yuǎn)探測(cè)器只探測(cè)到10 416個(gè)中微子.經(jīng)過(guò)計(jì)算他們得到sin22θ13＝0.092，誤差為1.7%，而置信度高達(dá)5.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差.也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)明確告訴我們這個(gè)參數(shù)值不為0，從而首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式.

θ13這個(gè)基本的物理參數(shù)存在與否、數(shù)值大小決定著中微子物理學(xué)的未來(lái)走向.近年來(lái)一個(gè)新興的課題就是將宇宙的物質(zhì)－反物質(zhì)不對(duì)稱和中微子振蕩聯(lián)系起來(lái)研究，所以這個(gè)新的振蕩模式的發(fā)現(xiàn)，會(huì)使我們對(duì)物質(zhì)世界的基本規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí).由于這種振蕩的振幅比預(yù)期大得多，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，就有可能探測(cè)到中微子振蕩中的電荷宇稱破壞，進(jìn)而理解宇宙的形成，同時(shí)可以進(jìn)行下一代實(shí)驗(yàn)，搞清不同種類中微子的質(zhì)量順序問(wèn)題.所謂的電荷字稱破壞，是物理學(xué)設(shè)想的機(jī)制，它讓宇宙中的物質(zhì)多于反物質(zhì)，現(xiàn)在科學(xué)上缺乏驗(yàn)證的手段，而大亞灣的勝利，有可能開辟一條通向答案的通路.

3 中微子的用途與科學(xué)意義

探測(cè)中微子是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，我們應(yīng)充分利用在研究中微子物理的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和中間成果，使其轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力造福于人類，而中微子本身可能應(yīng)用于傳播信號(hào)和地質(zhì)掃描.

由于中微子不受強(qiáng)相互作用、電磁相互作用影響，所以它能以接近光速直線前進(jìn)，其發(fā)散度非常小.若能應(yīng)用于通信，則保密性比較強(qiáng)，它不會(huì)反射、折射和散射、穿透力極強(qiáng).它雖然不帶電荷，但它能和水原子核中的中子產(chǎn)生核反應(yīng).正因?yàn)橹形⒆泳哂兄T多特性，人們才設(shè)想用中微子作為信息載體的無(wú)線通信方式——中微子通信.中微子通信不僅可以沖破電磁波通信不可逾越的水下和地下兩大禁區(qū)，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)線通信，而且保密性比較好，傳遞信息快、不受外界干擾，對(duì)人體無(wú)害等一系列優(yōu)點(diǎn)，這也是其他通信方式無(wú)法比擬的.上世紀(jì)70年代以后，科學(xué)家對(duì)中微子通信產(chǎn)生了極大的興趣，1978年底，美國(guó)進(jìn)行了人類第一次中微子通訊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)距離為6.4km，獲得了較好的通訊效果.1984年，美國(guó)海軍首次成功地完成了水下核潛艇中微子通訊實(shí)驗(yàn)，開創(chuàng)了中微子水下保密通訊的新紀(jì)元.人們正在加緊研究，提高探測(cè)器的靈敏度，解決各種技術(shù)難題，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)使用階段.

既然中微子具有極強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，再加上現(xiàn)有的原子反應(yīng)堆天天產(chǎn)生出極大量的中微子，我們可以設(shè)想，讓大量中微子束穿透地球，對(duì)地球進(jìn)行斷層掃描，制造出一種中微子CT設(shè)備，這樣，就可以對(duì)地球深部進(jìn)行勘測(cè)，將地層一層一層地掃描，獲得地球內(nèi)部的信息，為地球勘測(cè)提供強(qiáng)有力的服務(wù)，探測(cè)到地下的寶藏.另外，如果中微子CT設(shè)備可以探測(cè)地球巖漿和地殼板塊的動(dòng)態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)火山爆發(fā)和地震災(zāi)害的預(yù)報(bào)，這樣會(huì)造福千秋萬(wàn)代！

目前人們對(duì)中微子物理的研究，使其成為粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)研究中的熱點(diǎn)和交叉.人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)了中微子的許多性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律，但是仍有許多謎團(tuán)尚未解開.

4 總結(jié)

中國(guó)本土在粒子物理領(lǐng)域的大發(fā)現(xiàn)已經(jīng)相隔太久.1930年我國(guó)著名核物理學(xué)家趙忠堯在人類歷史上第1次觀察到了正反物質(zhì)的湮沒(méi)現(xiàn)象.趙忠堯的這些研究成果是正電子發(fā)現(xiàn)的前導(dǎo)，正反物質(zhì)的湮滅現(xiàn)象，為美國(guó)發(fā)展原子彈提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ).本文提到的在1941年，王淦昌建議選用74Be做實(shí)驗(yàn)尋找中微子，這篇文章登在美國(guó)的《物理學(xué)評(píng)論》上，可惜當(dāng)時(shí)西南聯(lián)大沒(méi)有條件做這個(gè)實(shí)驗(yàn).1959年，他在蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合原子核研究所領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組，在世界上首次發(fā)現(xiàn)反西格馬負(fù)超子，將人類對(duì)物質(zhì)微觀世界的認(rèn)識(shí)向前推進(jìn)了一大步.

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)本土首次測(cè)量到的基本物理學(xué)參數(shù)，很多報(bào)道這樣評(píng)價(jià)：一點(diǎn)也不過(guò)分地說(shuō)，這是中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)最大的貢獻(xiàn).事實(shí)證明，科學(xué)研究的整體水平同一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和綜合實(shí)力相關(guān)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)政府投入240名研究人員和巨額資金進(jìn)行相關(guān)研究的實(shí)驗(yàn)，它的成功和國(guó)家大力支持基礎(chǔ)科學(xué)研究是分不開的.隨著中國(guó)的綜合實(shí)力的提升，相信將會(huì)有更多的中國(guó)本土的世界級(jí)科技成果涌現(xiàn).

大亞灣的成功也從另外一個(gè)意義上鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)更多的青年投入到基礎(chǔ)科學(xué)的研究當(dāng)中.

1 陸埮，羅遼復(fù).物質(zhì)探微：從電子到夸克.北京：科學(xué)出版社，2005.

2 郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

3 王貽芳.大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn).物理，2007（3）.

4 鄭志鵬.中微子——一個(gè)熱門的話題.物理教學(xué)探討，2008（15）.

4 http：／／www.ihep.cas.cn／zt／zt＿DYB＿N／

5 http：／／lappweb.in2p3.fr／neutrinos／