中微子振蕩是怎樣發(fā)現(xiàn)的
——2015年諾貝爾物理學獎的故事

曹俊

中國科學院高能物理研究所研究員

科技焦點

中微子振蕩是怎樣發(fā)現(xiàn)的
——2015年諾貝爾物理學獎的故事

曹俊

中國科學院高能物理研究所研究員

2015年諾貝爾物理學獎頒給了日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·麥克唐納，表彰他們發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，證實中微子有質量。它揭示了微觀世界一個全新的規(guī)律，對研究宇宙和天體的起源與演化也有重大影響。

從1957年提出想法，到2002年通過大氣中微子實驗、太陽中微子實驗、反應堆中微子實驗確立，中微子振蕩現(xiàn)象探測發(fā)現(xiàn)，一波三折、令人驚奇。

太陽的能量來源

太陽的光和熱滋潤了萬物生長。科學家們長久地思考，它的能量是哪里來的？太陽對我們太重要了，它表面上的一點漣漪——太陽黑子，也會對我們的生活帶來可觀的影響。幾百年前，有人說跟煤燃燒一樣。100多年前，有人說是引力釋放的能量。直到幾十年前，科學家們仍在爭論這個問題。20世紀初物理學的突飛猛進，讓英國的愛丁頓提出了更合理的假說：太陽的能量來自氫核聚變。接下來的20年，一個又一個的理論困難被解決，到1939年，德國科學家貝特等人提出了完整的機制：氫核通過質子-質子鏈反應和碳—氮—氧循環(huán)反應，聚變成氦原子核，從而釋放出巨大的能量。

得不到實驗檢驗的理論只能算是一種假說。現(xiàn)在我們有一個聽起來幾乎完美的答案，怎么才能檢驗它對不對呢？核聚變只能發(fā)生在太陽核心很小的一片區(qū)域，那里的溫度和密度遠遠高于外層，才能讓聚變反應得以發(fā)生。產(chǎn)生的熱能要經(jīng)過10萬年，才能傳遞到太陽表面，變成我們能感知的光和熱。要驗證這個理論機制，似乎是一件無法完成的任務，就算是腳下的地球，我們至今也不能深入核心去探究。

幸好有一種神秘的粒子，它可以輕松地從太陽核心穿出，告訴我們太陽的秘密。它叫中微子。1930年，奧地利科學家泡利為解釋核衰變中能量似乎不守恒的現(xiàn)象，預言了這樣一種“永遠找不到”的粒子。26年后，費盡千辛萬苦，科學家還是在核反應堆旁找到了中微子存在的證據(jù)。假如貝特的理論是正確的，我們可以根據(jù)太陽釋放的能量，精確地計算出太陽釋放出多少中微子，以及它們的能量分布。計算得到的數(shù)字讓人驚訝：盡管地球離太陽這么遠，每一秒鐘依然有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體。

1968年，美國的戴維斯在一個廢舊金礦中觀測到了來自太陽的中微子。他采用了615 t四氯乙烯作為探測器。因為中微子幾乎不與物質反應，億萬個太陽中微子毫發(fā)無損地穿過探測器。但偶爾也有例外，大約每4天會有一個中微子被捕獲，將一個氯原子變成放射性的氬原子。通過探測氬原子的放射性，戴維斯探測到了太陽中微子，證實了愛丁頓和貝特關于太陽能量來自氫核聚變的理論，因此榮獲了2002年諾貝爾獎。

太陽中微子失蹤之謎

盡管戴維斯如愿找到了太陽中微子，卻發(fā)現(xiàn)了一個大問題：測到的中微子數(shù)僅有預期的三分之一。這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。

是貝特的太陽模型不對嗎？這可是個大問題。在科學研究中，看似合理，但一到認真定量分析就證明不對的理論比比皆是。事實上，直到今天，人們仍在更高的精度上反復檢驗太陽模型，比如最近發(fā)現(xiàn)的太陽金屬豐度疑難。

也可能是戴維斯的實驗測量不準確。太陽中微子在他的探測器中每4天產(chǎn)生一個氬氣原子，在615 t液體中撈個原子，比渤海中撈一根針還要難。他通過吹氮氣的方法，將這個原子撈出來。盡管他通過小的驗證裝置說明，90%以上的氬原子都能撈出來，也不能讓人信服。假如他實際上只撈出了30%，那就與理論一致了?？蓱z的戴維斯日復一日地重復著這個實驗，從20世紀70年代到90年代，做了整整30年時間。到他獲得諾貝爾獎時，已經(jīng)88歲高齡，是歷史上最年長的獲獎者。越來越多的人加入了探測太陽中微子的行列，幾十年間，通過鎵俘獲、在水中散射等不同的方法，大家確信，理論預測中的太陽中微子確實大部分丟了。

還有一種解釋，就是中微子發(fā)生了振蕩，從一種中微子變成了其它中微子。太陽產(chǎn)生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：繆中微子和陶中微子。1957年，叛逃到前蘇聯(lián)的意大利物理學家龐蒂科夫提出了中微子振蕩的概念。假如中微子有質量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過程中自發(fā)變成另一種，還能變回來，像波一樣振蕩。由于這些探測器對繆中微子和陶中微子不靈敏，太陽中微子振蕩成其它中微子后，就像是丟了一樣。

用中微子振蕩解釋太陽中微子丟失聽起來很合理，但一定量分析又不對。首先，不同的實驗雖然都看到中微子減少了，但減少的程度卻不一樣，無法同時解釋這些實驗結果。其次，太陽很大，不同地點產(chǎn)生的太陽中微子處于振蕩的不同位置，我們看到的應該是平均效果，最多只會丟一半，而戴維斯看到的是丟了三分之二。

很長一段時間，太陽中微子失蹤之謎一直困擾著科學家。

大氣中微子反常

20世紀70年代末，日本的小柴昌俊提出進行神岡實驗，來尋找質子衰變。在現(xiàn)有的理論中，質子是穩(wěn)定的。假如存在更基本的大統(tǒng)一理論，質子就會衰變。神岡實驗位于岐阜縣一個地下1 km的廢棄砷礦中，采用了3000 t純凈水和1000個極其靈敏、能夠探測到單個光子的光電倍增管。實驗1982年開始建設，1983年建成。

神岡實驗沒有找到質子衰變，但是發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中會產(chǎn)生大量中微子，稱為大氣中微子，包括電子中微子、繆中微子以及它們的反粒子。質子衰變即使有，也是極其稀少的，必須非常干凈地去掉各種假信號，因此需要準確估算大氣中微子會帶來多少假信號。1988年，小柴昌俊的學生、29歲的梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，測到的中微子比預期少，被稱為“大氣中微子反?！?。

當時很自然就想到是不是中微子振蕩？但是沒有最終的定論，原因有三。首先是預測大氣中微子的產(chǎn)額比較復雜，有可能計算不準確。其次是理論家們不相信。要用中微子振蕩解釋大氣中微子反常，需要中微子的混合是最大值，這與在夸克中發(fā)現(xiàn)的小混合很不一樣。第三，同時進行的還有法國和意大利的兩個實驗，他倆居然說沒減少。非凡的發(fā)現(xiàn)需要非凡的證據(jù)。不管怎么樣，這樣單薄的證據(jù)不足以讓人相信中微子振蕩。

發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩

如果不是大自然的慷慨，大氣中微子反常之謎也許還要延續(xù)很久，因為中微子太難探測，更準確的實驗需要大筆的經(jīng)費投入。就在小柴昌俊退休前不久，銀河系的小兄弟大麥哲倫星云內有一顆恒星走到了生命的終點，它的臨終掙扎就是超新星爆發(fā)——SN1987A（實際上它的光傳到地球上需要16.8萬年）。它的光芒蓋過了整個星系，肉眼就可見到。這是400年來觀測到的最明亮的超新星。神岡實驗觀測到了11個它發(fā)出的中微子，證實了超新星爆發(fā)會產(chǎn)生極其多的中微子。超新星在宇宙演化中非常重要。主流的理論認為，它的爆發(fā)需要中微子助力才能發(fā)生，但同太陽中微子一樣，需要證據(jù)證實。小柴昌俊因“觀測到來自宇宙的中微子”，與戴維斯一起分享了2002年諾貝爾獎。

因為這個成果，日本政府同意小柴昌俊建造一個大得多的新探測器——超級神岡。它于1991年開始建造，1996年完成，采用了50000 t純凈水，13000個光電倍增管，是國際中微子研究當之無愧的旗艦。直到今天，這樣的規(guī)模仍然讓人震撼。

1998年6月的日本高山市，在發(fā)現(xiàn)“大氣中微子反?！爆F(xiàn)象10年后，梶田隆章代表超級神岡在“國際中微子大會”上報告，以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩。比神岡實驗大20 倍的超級神岡，測到了足夠的大氣中微子，顯示了它的丟失比例隨飛行距離的變化，而這是中微子振蕩的關鍵特征。

丟失的太陽中微子找到了

在發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩3年后，阿瑟·麥克唐納領導的加拿大薩德伯里實驗宣布找到了失蹤的太陽中微子，證實了太陽中微子振蕩。

1985年，加州大學爾灣分校的華人物理學家陳華森提出了一個巧妙的方法，采用重水同時探測三種中微子，這樣就可以知道太陽中微子是真的丟了，還是通過振蕩變成了其它中微子。以前的太陽中微子實驗都只能探測電子中微子。

根據(jù)這個方法，加拿大在一個地下2100 m的鎳礦中建造了薩德伯里實驗。重水非常昂貴，不過加拿大有個得天獨厚的條件，它的商用核電站是唯一采用重水堆技術路線的，實驗得以從核電公司借了1000 t、價值約100億元人民幣的重水。跟神岡實驗相似，它也采用水和光電倍增管做探測器，只不過換成了重水，裝在一個直徑12 m的有機玻璃容器中。1999年實驗開始運行，到2001年，已探測到了足夠的太陽中微子，證明電子中微子確實丟失了，結果與以前的實驗一致；但三種中微子的總數(shù)卻沒有變。不幸的是，陳華森于1987年去世，年僅45歲，沒能看到實驗成功。

理論上也有了重大的突破。美國物理學家沃芬斯坦注意到，電子中微子在物質中會受到電子的散射，將改變中微子的振蕩效應。后來前蘇聯(lián)的米赫耶夫和斯米爾諾夫將這個想法用于解釋太陽中微子問題，人們才意識到，以前認為中微子在從太陽飛到地球的過程中發(fā)生振蕩的看法是完全錯誤的。對能量比較高的中微子，振蕩發(fā)生在太陽內，飛出太陽后就不再振蕩了，這樣振蕩幾率就可以超過一半。而能量比較低的太陽中微子物質效應比較小，飛離太陽后還可以發(fā)生振蕩。這樣可以精確地解釋為何不同實驗看到不同的結果，因為它們的能量范圍不同。

2002年日本KamLAND 實驗用反應堆中微子證實了太陽中微子振蕩模式。至此，中微子振蕩得到了完全的證實。

宇宙反物質消失之謎

物質世界最基本的規(guī)律由粒子物理“標準模型”描述，它是無數(shù)實驗證實的、內部統(tǒng)一的理論體系，相關的實驗和理論研究先后被授予了18次諾貝爾獎！在這個理論中，中微子是沒有質量的。中微子振蕩第一次，也是唯一的一次，以確鑿的證據(jù)證明，標準模型需要進一步發(fā)展。有可能只是一個簡單的修改，也有可能打開一片新空間。

宇宙誕生時，正反物質成對產(chǎn)生，是一樣多的。但現(xiàn)在我們的宇宙幾乎找不到反物質的蹤影，被稱為“反物質消失之謎”。中微子振蕩中會出現(xiàn)一種稱為“CP破壞”的現(xiàn)象，導致正反物質的行為不對稱。是不是中微子振蕩導致了反物質的消失，是宇宙起源必須解決的關鍵問題。

因為中微子振蕩的重要性，今年的諾貝爾物理學獎授予了發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩的梶田隆章和證實太陽中微子振蕩的阿瑟·麥克唐納。

2012年，中國的大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了除大氣中微子模式和太陽中微子模式外的第三種振蕩模式，為測量中微子質量順序和“CP破壞”打開了大門。有多個新實驗被批準或正在申請中，包括中國采用2萬噸液閃探測器的江門中微子實驗，美國采用1萬～4萬噸液氬探測器的加速器實驗，印度采用5萬噸鐵的INO實驗，韓國1.8萬噸液閃實驗，美國在南極的PINGU實驗，法國在地中海的ORCA實驗，以及日本100萬噸純凈水的超超級神岡實驗。

可以預期，未來的一二十年，將會有更多的中微子秘密被揭開。

摘編自《北京日報》2015-10-14第017版，圖已省略。