探測(cè)中微子

苗千

近年來(lái)，中微子卻越來(lái)越吸引起物理學(xué)家們的興趣。人們意識(shí)到，這種似乎不起眼的粒子可能幫助人們解開(kāi)一些最重要的謎團(tuán)。此時(shí)人們才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)人們對(duì)于這種基本粒子，仍然知之甚少。

中微子并不稀少，這種粒子在宇宙中的數(shù)量?jī)H次于光子，在地球表面每平方厘米的面積上，每秒鐘都有超過(guò)1000億個(gè)中微子以幾乎光速的速度穿過(guò)而從不會(huì)被人感知到。因?yàn)樗@種極為懶惰、極少與其他粒子發(fā)生相互作用的性質(zhì)，想要對(duì)它進(jìn)行探測(cè)，了解它的性質(zhì)就成為十分困難的事。

中微子的質(zhì)量雖然極其微小，但是它可能擁有極高的能量。在2013年，位于南極的IceCube中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目宣布他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)具有超高能量的中微子，他們根據(jù)電視劇《芝麻街》的角色給這兩個(gè)中微子命名為“Bert”和“Ernie”。在2015年8月4日，IceCube的科學(xué)家們宣布又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有更高能量的中微子，這個(gè)中微子因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)，相比于其他同樣來(lái)自外星系的宇宙射線(xiàn)中的帶電粒子，可能帶給人們更多的關(guān)于宇宙深處的信息。

人類(lèi)意識(shí)到宇宙射線(xiàn)的存在已經(jīng)有超過(guò)一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，這些帶電粒子從宇宙各處以不同的能量和速度到達(dá)地球。其中很多粒子在到達(dá)大氣層時(shí)具有地球上任何粒子對(duì)撞機(jī)中都無(wú)法達(dá)到的超高能量。至今為止，這些宇宙粒子大多從何而來(lái)，又是如何獲得如此的超高能量仍然是一個(gè)謎。目前宇宙學(xué)家們估計(jì)，這些宇宙粒子可能大多來(lái)自銀河系之外，而它們的超高能量可能來(lái)自以黑洞為中心的旋轉(zhuǎn)星系。

在宇宙空間的行進(jìn)中，這些具有超高能量的帶電粒子的運(yùn)行路線(xiàn)會(huì)受到宇宙中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響，隨時(shí)可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此，很難通過(guò)捕捉到這些粒子來(lái)準(zhǔn)確判斷它們的來(lái)源。這時(shí)，具有超高能量中微子的意義就顯得格外重要了，因?yàn)樗鼈儾⒉粠щ姡苌俸推渌Ｗ影l(fā)生相互作用，它們的質(zhì)量又極低，因此受到的引力作用都極小。即使它們穿過(guò)了整個(gè)星系，行進(jìn)路線(xiàn)都可能只是受到極小的影響。宇宙學(xué)家們猜想，最新探測(cè)到的這個(gè)具有超高能量的中微子與其他具有超高能量的宇宙射線(xiàn)可能具有相同的來(lái)源，因此，追蹤這個(gè)中微子的來(lái)源，就可以找到這些宇宙射線(xiàn)的源頭。

中微子又分為電子中微子、muon中微子和tau中微子三種。在IceCube中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，他們利用大量的冰塊作為中微子探測(cè)器。如果是電子中微子和tau中微子與冰塊中的粒子發(fā)生相互作用，就會(huì)發(fā)出閃光，但無(wú)法以此來(lái)判斷中微子的來(lái)源，而剛剛被發(fā)現(xiàn)的這個(gè)超高能量的中微子屬于muon中微子，它在與其他粒子發(fā)生相互作用時(shí)會(huì)釋放出一個(gè)tau中微子，從而留下了一條清晰的運(yùn)行軌跡，這就可以讓宇宙學(xué)家們按圖索驥，追蹤到這個(gè)tau中微子的來(lái)源。

在地球上，人們同樣進(jìn)行著大量的中微子實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)有關(guān)中微子最基本的性質(zhì)。物理學(xué)家們一直懷疑中微子可能發(fā)生振蕩現(xiàn)象（neutrino oscillation），此前很多中微子實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)過(guò)探測(cè)到的中微子比預(yù)期的要少，這可能是因?yàn)橹形⒆釉谶\(yùn)行過(guò)程中發(fā)生振蕩成為其他類(lèi)型的中微子而無(wú)法被探測(cè)到。2013年，在日本進(jìn)行的T2K實(shí)驗(yàn)第一次直接探測(cè)到了中微子振蕩現(xiàn)象，在探測(cè)一束發(fā)射出的muon中微子時(shí)，科學(xué)家們探測(cè)到了電子中微子，這成為中微子發(fā)生振蕩的最直接證據(jù)。

意大利格蘭·薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的OPERA探測(cè)器

最近，在意大利的格蘭·薩索（Gran Sasso）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的OPERA中微子地下實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員首次證實(shí)了muon中微子可以振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)閠au中微子。在2008到2012年，從日內(nèi)瓦附近的歐洲核子中心（CERN）向西南方向發(fā)射出muon中微子束，這些中微子在地球的地殼中運(yùn)行了730公里之后，其中一部分被位于意大利地下的OPERA實(shí)驗(yàn)的鉛探測(cè)器探測(cè)到?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，其中的一些muon中微子轉(zhuǎn)變?yōu)閠au中微子，而且它們?cè)谂c其他粒子發(fā)生對(duì)撞之后產(chǎn)生了輕子（tau lepton）。這些輕子在一萬(wàn)億分之一秒之內(nèi)就會(huì)發(fā)生衰變，即使它們是以光速運(yùn)行，也只行進(jìn)了幾毫米而已，因此非常難以探測(cè)它們存在的證據(jù)。

OPERA實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們?cè)?014年發(fā)現(xiàn)了4個(gè)tau輕子存在的證據(jù)，但這還不足以說(shuō)明是一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。在2015年，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)tau輕子存在的證據(jù)，終于可以宣布實(shí)驗(yàn)成功，正式宣布發(fā)現(xiàn)了muon中微子振蕩成為tau中微子的現(xiàn)象。

從此前被認(rèn)為沒(méi)有質(zhì)量到擁有質(zhì)量，可以在三種類(lèi)型之間發(fā)生振蕩，這些性質(zhì)都是物理學(xué)家們此前沒(méi)有預(yù)料到的。中微子可以說(shuō)是宇宙中最奇特、最神秘的粒子，而人們此時(shí)仍然對(duì)它的基本性質(zhì)還沒(méi)什么了解。如果說(shuō)探索中微子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，那么這個(gè)時(shí)代有可能將會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。

目前在中國(guó)、印度、美國(guó)和日本，都正在進(jìn)行或是建設(shè)著中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，準(zhǔn)備進(jìn)一步研究中微子的性質(zhì)，人們都希望能夠探測(cè)到更多的中微子，并且深入研究中微子振蕩的機(jī)制。關(guān)于中微子，還有些更基本的問(wèn)題需要研究，這關(guān)系到物理學(xué)研究中一些最重要的問(wèn)題。在中微子與反中微子之間的振蕩相互轉(zhuǎn)換，是否對(duì)稱(chēng)？這個(gè)問(wèn)題可能是解開(kāi)宇宙中為何物質(zhì)多于反物質(zhì)之謎的鑰匙。另外，是否存在“sterile”中微子？在一些物理學(xué)理論中預(yù)測(cè)可能存在第四種，Sterile中微子，這種中微子比其他三種中微子更難以和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此也就更難以探測(cè)。這種僅存在于理論中的粒子是否真的存在？這將是解開(kāi)暗物質(zhì)之謎的關(guān)鍵之所在。另外，在已知的三種中微子中，它們的質(zhì)量關(guān)系如何？因?yàn)橹形⒆淤|(zhì)量太過(guò)微小，物理學(xué)家們至今都無(wú)法探測(cè)到中微子的確切質(zhì)量。如果能夠精確探測(cè)出這三種中微子的質(zhì)量，理清它們之間的關(guān)系，物理學(xué)家們就會(huì)有更多的線(xiàn)索在未來(lái)發(fā)展出一個(gè)可以統(tǒng)一四種相互作用的理論。

（本文寫(xiě)作參考了《科學(xué)》雜志的報(bào)道）