中微子介紹

董芳芳 平加倫

（1.南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210046；2.江蘇省鹽城景山中學，江蘇 鹽城 224002）

2012年3月8日，以中國為主導的大亞灣中微子實驗國際合作組對外宣布，發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩（θ13），并測量到其振蕩幾率sin22θ13為0.092.這一重要成果是對物質世界基本規(guī)律的一項新的認識，或有助于破解“反物質之謎”.鑒于這一結果將對中微子物理未來的發(fā)展起決定性作用，大量中外媒體對此事件進行了報道和評論.中微子是近年來物理研究的一個熱點.近20多年來，世界上有6位研究中微子的科學家獲得諾貝爾獎.對于普通民眾而言，關注更多的是中國科學家是否也能夠獲得諾貝爾獎，而對中微子的性質和特點了解較少.作為一名物理專業(yè)的研究生，希望通過自己的方式，做些有關中微子的科學普及.本文將重點介紹什么是中微子，以及中微子振蕩的相關科學知識.

1 神秘的中微子

中微子的發(fā)現(xiàn)起源于人們對β衰變的研究.1919年查德威克在研究β衰變時發(fā)現(xiàn)：β衰變中發(fā)射的電子能量與原子核的質量虧損并不相符，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衰變過程中，依據(jù)動量守恒和能量守恒，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，結果這個過程前后的總角動量也不相等.似乎角動量也不守恒了！

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

其中，下標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，兩個原子核之間的能量差就要由電子和那個未知的中微子來分配，電子可能拿到獲得全部的衰變能，也可能一點都不獲得，各種情況都有可能，因此測到的電子能量取連續(xù)值.另一方面，兩個自旋量子數(shù)為的粒子的總角動量是整數(shù)，可以滿足衰變前后總角動量不變的要求.

泡利的假設簡單明了，使不少實驗物理學家千方百計地設法去尋找那個神秘的中微子.中微子不帶電，只參與弱相互作用，很容易穿透密密的物質層，甚至可以穿透整個地球而不被任何物質吸收，也不會留下任何痕跡，所以中微子極難測量.正因為如此，直接探測中微子的存在就成為一項異常艱難的工作.

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

這里衰變后只有兩個粒子，一個為中微子，一個為反沖核，這是一個二體的過程.由反沖核的能量和動量可以準確地得到中微子的動量和能量，從而確切地證明中微子的存在.根據(jù)這個想法，王淦昌建議用74Be來做實驗.同年，阿倫（J.S.Allen）做了這個74Be實驗，但由于戰(zhàn)時實驗條件不夠理想，沒能觀察到單能的反沖核73Li.直到1952年，羅德拜克（G.W.Rodeback）和阿倫在大大改進實驗條件后，再用3718Ar做K俘獲實驗時，才第一次觀測到了單能量的反沖核3717Cl.同年，戴維斯（R.Davis）做了74Be的K電子俘獲實驗，并且觀測到73Li.他們證明了過程中丟失的動量和能量正好符合中微子的要求，由此計算出的中微子質量確實很小，近于零，同時也證明了放出的中微子只有一個而不是幾個.

電子俘獲實驗間接證實了中微子的存在，更為直接的實驗是對已放射出來而脫離了源的中微子進行探測.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器，埋在美國一個核反應堆附近很深的地下，來探測核反應堆放射出來的極強的中微子束（實際是反中微子束），經(jīng)過相當長的時間，才成功地探測到為數(shù)不多的中微子.這是實驗上首次觀測到中微子.將近40年后的1995年，諾貝爾獎頒發(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，失去了獲獎的機會.

反中微子ˉν被探測后，人們又試圖在試驗中探測中微子ν.早在1946年意大利蓬科特爾沃就提出一種方法：由于吸收一個中微子就會變成并且發(fā)射一個電子，即.美國人戴維斯等人從1956年開始進行這個實驗，直到1968年才取得成功.他把610t四氯乙烯注入一個直徑6m，長15m的大筒中，做成一架“中微子望遠鏡”，并安裝在一個很深的礦井中.戴維斯利用這個裝置探測到了來自太陽的中微子，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.這個事實說明了確實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）過程中產(chǎn)生的，這類中微子稱為電子中微子νe.1937年，科學家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了質量是電子207倍的粒子.科學家剛開始以為找到了1935年湯川秀樹預言的傳遞核力的粒子，后來被證實，這種粒子與核力無關，它的性質反而與電子很接近，被命名為μ子.是否存在與電子中微子νe不同的而與μ子相關的μ子中微子νμ呢？這個問題需要實驗來回答.

1962年，萊德曼（L.M.Lederman）、舒瓦茨（M.Schartz）和斯坦伯格（J.Steinberger）在長島的布魯克海文實驗室的33GeV加速器上進行的雙中微子實驗證明了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.他們因為發(fā)現(xiàn)第2種中微子——μ子中微子而獲得1988年的諾貝爾獎.

20世紀90年代，美國的斯坦福大學直線加速器中心和歐洲的核子中心通過Z0衰變寬度的測量，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，不會再有新的中微子出現(xiàn)了.而在2000年，費米實驗室的Donut實驗探測到了第3種中微子，即τ子中微子.3種中微子的性質如表1所示.

表1

粒子物理在上個世紀60年代以來取得的重大進展是建立了粒子物理的標準模型.標準模型是一套描述強力、弱力及電磁力這3種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論.標準模型也認為中微子有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

在粒子物理的標準模型中，人們一直認為中微子是沒有質量的，永遠以光速飛行，3種中微子之間不會有任何變化.但是上個世紀60年代末，科學家在測量太陽中微子數(shù)量時，發(fā)現(xiàn)探測到的中微子數(shù)量只有預期的1／3.2／3的太陽中微子丟失到哪里去了？一直成為一個謎，令物理學家困惑，這就是著名的“太陽中微子短缺”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，會從一種類型轉變成另外一種類型（然后再變回來），這就是所謂的中微子振蕩.如果中微子之間發(fā)生振蕩，那么就要打破標準模型的束縛，認為中微子有質量，即便質量很小.

倘若我們用1、2、3來標記這些有質量的中微子，不同的θ角代表不同類型中微子之間的混合關系，那么原則上3種中微子之間相互振蕩，應該有3種模式，其中兩種模式自上個世紀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來表示，與“太陽中微子之謎”有關；μ子中微子和τ子中微子之間的振蕩，用θ23來表示，產(chǎn)生“大氣中微子之謎”.1998年，日本的超級神岡實驗正式發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩，隨后太陽中微子振蕩也被多個實驗證實.2002年的諾貝爾獎授予了第1個測到太陽中微子并發(fā)現(xiàn)太陽中微子短缺的美國科學家戴維斯和第1個探測到太陽系以外（超新星SN1987A）的中微子的日本科學家小柴昌俊.中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)間接證明了它們具有微小的質量，不過這個質量非常非常小，目前還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，到現(xiàn)在也沒有測出與光速的差別.

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，成為國際物理學界合作和競爭的焦點.

中國科學院高能物理所的研究人員自2003年起開始進行大亞灣中微子實驗的前期研究，并根據(jù)大亞灣的地理特點，提出了原創(chuàng)性的實驗方案和探測器設計.實驗裝置建在廣東省大亞灣核電站附近的山腹內(nèi)，其物理目標是通過探測核電站反應堆在發(fā)電時的自然產(chǎn)物——中微子，來尋找中微子的第3種振蕩θ13，其震蕩幾率用sin22θ13來表示.為什么選擇在大亞灣做實驗呢？大亞灣核電基地的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下兩個方面，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，適于建造地下實驗大廳，以提供足夠的屏蔽.對低能量、低事例率、高精度的中微子實驗來說，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做此類實驗的核電站附近都缺乏足夠的巖石覆蓋.

由于大亞灣獨一無二的地理條件，這一測量方案很快得到國際同行的支持.目前匯集了來自中國大陸、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣等6個國家和地區(qū)的200多名科學家共同參與.國際團隊在地下挖了大洞（防止太陽中微子干擾），布置了離核電站遠近不同的幾個探測器.如果靠近核電站的探測器和較遠的探測器結果明顯不一，就說明中微子在這段旅程中變身了.

大亞灣實驗方案于2006年獲批立項，次年10月破土動工，2010年12月完成核電站附近的全部爆破任務，2011年年中逐步完成了探測器的建造與安裝，2011年8月開始近點取數(shù)，2011年12月24日開始在遠近點同時運行.

在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用了其中6個中微子探測器，完成了實驗數(shù)據(jù)的獲取、質量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析.這55天收集到的數(shù)據(jù)中，實驗組發(fā)現(xiàn)，近探測器共探測到80 376個反中微子，而遠探測器只探測到10 416個中微子.經(jīng)過計算他們得到sin22θ13＝0.092，誤差為1.7%，而置信度高達5.2個標準差.也就是說，實驗明確告訴我們這個參數(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的未來走向.近年來一個新興的課題就是將宇宙的物質－反物質不對稱和中微子振蕩聯(lián)系起來研究，所以這個新的振蕩模式的發(fā)現(xiàn)，會使我們對物質世界的基本規(guī)律有了新的認識.由于這種振蕩的振幅比預期大得多，在不遠的將來，就有可能探測到中微子振蕩中的電荷宇稱破壞，進而理解宇宙的形成，同時可以進行下一代實驗，搞清不同種類中微子的質量順序問題.所謂的電荷字稱破壞，是物理學設想的機制，它讓宇宙中的物質多于反物質，現(xiàn)在科學上缺乏驗證的手段，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意義

探測中微子是一項基礎研究，我們應充分利用在研究中微子物理的過程中發(fā)展起來的實驗技術和中間成果，使其轉化成生產(chǎn)力造福于人類，而中微子本身可能應用于傳播信號和地質掃描.

由于中微子不受強相互作用、電磁相互作用影響，所以它能以接近光速直線前進，其發(fā)散度非常小.若能應用于通信，則保密性比較強，它不會反射、折射和散射、穿透力極強.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.正因為中微子具有諸多特性，人們才設想用中微子作為信息載體的無線通信方式——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)，實現(xiàn)全球無線通信，而且保密性比較好，傳遞信息快、不受外界干擾，對人體無害等一系列優(yōu)點，這也是其他通信方式無法比擬的.上世紀70年代以后，科學家對中微子通信產(chǎn)生了極大的興趣，1978年底，美國進行了人類第一次中微子通訊實驗，實驗距離為6.4km，獲得了較好的通訊效果.1984年，美國海軍首次成功地完成了水下核潛艇中微子通訊實驗，開創(chuàng)了中微子水下保密通訊的新紀元.人們正在加緊研究，提高探測器的靈敏度，解決各種技術難題，爭取早日實現(xiàn)商業(yè)使用階段.

既然中微子具有極強的穿透本領，再加上現(xiàn)有的原子反應堆天天產(chǎn)生出極大量的中微子，我們可以設想，讓大量中微子束穿透地球，對地球進行斷層掃描，制造出一種中微子CT設備，這樣，就可以對地球深部進行勘測，將地層一層一層地掃描，獲得地球內(nèi)部的信息，為地球勘測提供強有力的服務，探測到地下的寶藏.另外，如果中微子CT設備可以探測地球巖漿和地殼板塊的動態(tài)信息，從而實現(xiàn)火山爆發(fā)和地震災害的預報，這樣會造福千秋萬代！

目前人們對中微子物理的研究，使其成為粒子物理、天體物理與宇宙學研究中的熱點和交叉.人類已經(jīng)認識了中微子的許多性質及運動、變化規(guī)律，但是仍有許多謎團尚未解開.

4 總結

中國本土在粒子物理領域的大發(fā)現(xiàn)已經(jīng)相隔太久.1930年我國著名核物理學家趙忠堯在人類歷史上第1次觀察到了正反物質的湮沒現(xiàn)象.趙忠堯的這些研究成果是正電子發(fā)現(xiàn)的前導，正反物質的湮滅現(xiàn)象，為美國發(fā)展原子彈提供了堅實的科學基礎.本文提到的在1941年，王淦昌建議選用74Be做實驗尋找中微子，這篇文章登在美國的《物理學評論》上，可惜當時西南聯(lián)大沒有條件做這個實驗.1959年，他在蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合原子核研究所領導一個研究小組，在世界上首次發(fā)現(xiàn)反西格馬負超子，將人類對物質微觀世界的認識向前推進了一大步.

大亞灣中微子實驗是中國本土首次測量到的基本物理學參數(shù)，很多報道這樣評價：一點也不過分地說，這是中國對基礎物理學最大的貢獻.事實證明，科學研究的整體水平同一個國家的經(jīng)濟和綜合實力相關，大亞灣中微子實驗是中國政府投入240名研究人員和巨額資金進行相關研究的實驗，它的成功和國家大力支持基礎科學研究是分不開的.隨著中國的綜合實力的提升，相信將會有更多的中國本土的世界級科技成果涌現(xiàn).

大亞灣的成功也從另外一個意義上鼓勵國內(nèi)更多的青年投入到基礎科學的研究當中.

1 陸埮，羅遼復.物質探微：從電子到夸克.北京：科學出版社，2005.

2 郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社，2005.

3 王貽芳.大亞灣反應堆中微子實驗.物理，2007（3）.

4 鄭志鵬.中微子——一個熱門的話題.物理教學探討，2008（15）.

4 http：／／www.ihep.cas.cn／zt／zt＿DYB＿N／

5 http：／／lappweb.in2p3.fr／neutrinos／