以中微子看宇宙

在2002年，諾貝爾基金會(huì)把物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給雷蒙德·戴維斯與小柴昌俊，當(dāng)時(shí)他們可供贊頌的貢獻(xiàn)很多。戴維斯因偵測(cè)到太陽(yáng)中微子而成名，小柴昌俊則發(fā)現(xiàn)了1987年超新星爆發(fā)所釋放出來(lái)的中微子，這些成果是實(shí)驗(yàn)上的精彩杰作。不過(guò)，諾貝爾基金會(huì)特別表彰的是，雷蒙德·戴維斯與小柴昌俊為世人建立了一門全新的科學(xué)：中微子天文學(xué)。

在他們的努力下，中微子從理論上的新奇事物，搖身一變成為探索宇宙的實(shí)用工具?？茖W(xué)家研究中微子，除了要搜集這些粒子的性質(zhì)，現(xiàn)在更要用來(lái)揭露宇宙潛藏的某些奧秘。一個(gè)世紀(jì)前，天文學(xué)家建造的是大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；而今，天文學(xué)家為了看見(jiàn)新的事物，設(shè)計(jì)與制造出龐大的中微子望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)偵測(cè)到成千上萬(wàn)的中微子，還利用中微子拍攝出太陽(yáng)的影像。過(guò)去的儀器很難把來(lái)自地球之外的中微子與源自地球高層大氣的中微子區(qū)別開(kāi)來(lái)，但到了2011年，這些儀器已經(jīng)有能力做到這件事。

新的發(fā)現(xiàn)蜂擁而至，而中微子這種曾被認(rèn)為無(wú)法觀測(cè)的粒子，現(xiàn)在已經(jīng)變得不可或缺，因?yàn)橛行〇|西無(wú)法透過(guò)光看見(jiàn)，但中微子可以。當(dāng)我們利用光來(lái)研究太陽(yáng)時(shí)，我們只看得到它的表面，也就是最表層數(shù)百千米的氣體。太陽(yáng)中心核反應(yīng)產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)了陽(yáng)光，而陽(yáng)光則沿途不斷受到各氣層的吸收和發(fā)射，因此只有在穿出外層氣體后，才能自由穿越太空。相對(duì)而言，通過(guò)中微子這雙“眼睛”，我們得以直接看見(jiàn)太陽(yáng)中心的核聚變引擎，那是太陽(yáng)內(nèi)部溫度最高的區(qū)域，只占了太陽(yáng)體積的1%。

中微子也能讓我們透視超新星的內(nèi)部、伽馬射線爆發(fā)之類的恒星爆炸事件，以及圍繞于超大質(zhì)量黑洞周邊的氣盤。但是，我們得花些時(shí)間才能熟悉中微子的特性。

對(duì)粒子物理學(xué)家而言，中微子類似電子，不過(guò)它不帶電荷，因此主導(dǎo)日常生活的電力和磁力對(duì)它不會(huì)發(fā)生作用。當(dāng)你坐在椅子上時(shí)，電的斥力使你不會(huì)穿過(guò)椅子而跌倒；發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，原子會(huì)交換或共享電子。當(dāng)物質(zhì)吸收或反射光線時(shí)，帶電粒子會(huì)與振蕩的電磁場(chǎng)反應(yīng)。至于不帶電的中微子則會(huì)穿透固態(tài)物質(zhì)，因此中微子在原子或分子物理中并不扮演任何角色，而且?guī)缀跏峭耆豢梢?jiàn)的。

已知形態(tài)的中微子會(huì)參與弱核作用，這種作用與放射性B衰變以及重元素融合有關(guān)，但除非距離極短，否則弱核力是非常微弱的。因此，中微子幾乎不與其他物質(zhì)作用。想偵測(cè)中微子，物理學(xué)家和天文學(xué)家得監(jiān)測(cè)體積龐大的物質(zhì)，尋找中微子在這些物質(zhì)中遺留下來(lái)的稀少痕跡。如果像天文學(xué)家預(yù)期的那樣，所有宇宙中微子的能量和宇宙射線的能量相當(dāng)，那么從1立方千米的物質(zhì)中只能捕獲一件清晰的樣本，最大的望遠(yuǎn)鏡的體積則與此相差不遠(yuǎn)。

天文學(xué)家也假設(shè)有其他類型的中微子：惰性中微子。這種中微子性情冷淡，甚至幾乎不與弱核力作用，重力或許是它們和宇宙中其他東西的主要聯(lián)結(jié)。所以，偵測(cè)這類中微子的挑戰(zhàn)性更高。

盡管性情淡漠，但中微子在這出宇宙大戲中卻是積極的參與者。它們是B衰變的重要副產(chǎn)物，而B衰變除了會(huì)加熱恒星爆炸的殘骸與行星內(nèi)部，更是恒星核聚變反應(yīng)的重要步驟。大質(zhì)量恒星在生命盡頭發(fā)生內(nèi)爆所產(chǎn)生的超新星，主要類型有兩種，而中微子在其中一種的生成過(guò)程里也扮演了關(guān)鍵性的角色。內(nèi)爆將恒星核心壓縮成核子般的密度，并在10秒～15秒內(nèi)釋放出10⁵⁸個(gè)中子。在這種環(huán)境下，即便是最孤傲不群的粒子，也會(huì)被迫參與這場(chǎng)盛宴。在這種爆炸事件所釋放出的總能量中，中微子就占了99%，也就是說(shuō)，用中微子望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，就能看到一般望遠(yuǎn)鏡錯(cuò)失的99%的圖像，其中包括關(guān)鍵的早期演化過(guò)程?？茖W(xué)家觀測(cè)1987年超新星爆發(fā)事件所釋放出的中微子，便確立了恒星坍塌的基本理論。目前的中微子望遠(yuǎn)鏡，則可以提供恒星坍塌、反彈及爆炸的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像。

（裘楓 插圖）