中微子是個(gè)“什么鬼”？

蝌蚪君

由俄羅斯富翁尤里·米爾納領(lǐng)銜資助的“科學(xué)突破獎(jiǎng)”于2015年11月9日揭曉。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所王貽芳研究員及其領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)獲得“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)”。這是中國(guó)科學(xué)家和以中國(guó)科學(xué)家為主的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)首次獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)，科學(xué)突破獎(jiǎng)的獲得讓國(guó)人倍增自豪感。

那么中微子從何處來？我國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)取得什么重要成果？中微子在未來又會(huì)被應(yīng)用到哪些方面呢？

中微子從何處來？

早在1930年奧地利物理學(xué)家泡利（Wolfgang Pauli）就提出了中微子存在的設(shè)想：“從β衰變能量守恒的角度看，可能存在一種神秘的粒子?！?但是在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，中微子的存在一直沒有得到確認(rèn)。直到1956年美國(guó)物理學(xué)家萊因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Cowan）才首次在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)中微子的存在。

?中微子幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用

事實(shí)上我們生活在中微子的世界中，每一秒都有數(shù)以萬億中微子穿過我們的身體。我們無法看到和感受到中微子，但不等于中微子就不存在。它之所以這么“神秘”，是因?yàn)樗鼛缀醪慌c其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。那么，就有人產(chǎn)生好奇：中微子從何而來？其實(shí)中微子在宇宙大爆炸初期就已經(jīng)存在。此外，自然界還存在各種自然和人工的中微子源，從恒星燃燒、超新星爆發(fā)、宇宙線穿過大氣層到核反應(yīng)堆、加速器、天然放射性衰變等，都是中微子的可能來源。我們的身體內(nèi)每秒鐘平均有5000個(gè)來自鉀同位素衰變釋放的中微子。而到達(dá)地球的中微子中，多數(shù)是來自太陽(yáng)核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的太陽(yáng)中微子。同樣，宇宙大爆炸產(chǎn)生中微子數(shù)目最多，僅次于宇宙中的微波背景光子。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)可以“看到”許多中微子，它們有的來自亞原子世界，有的來自 浩瀚的宇宙空間。過去幾十年，從太陽(yáng)中微子到大氣中微子，從核反應(yīng)堆中微子到加速器中微子，都沒有逃脫科學(xué)家們“敏銳的眼睛”。

中微子探測(cè)器為什么一般會(huì)選擇建造在地下或海底深處？

中微子探測(cè)器一般會(huì)選擇建造在地下或海底深處，是為了屏蔽來自太空的各種射線和其他背景輻射對(duì)探測(cè)器的影響，比如正在建設(shè)的中國(guó)江門中微子實(shí)驗(yàn)的中微子探測(cè)器，將被埋藏在深達(dá)700米的地下洞室里，并且被一個(gè)巨大的水池所包圍。

我國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

取得了什么重要成果

1968年，美國(guó)科學(xué)家戴維斯首次觀測(cè)到太陽(yáng)中微子，并且發(fā)現(xiàn)大約 2/3的太陽(yáng)中微子不見了，那么這些中微子哪兒去了？剛開始時(shí)，有些人認(rèn)為這可能是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)或者理論模型錯(cuò)誤。但也有科學(xué)家認(rèn)為，中微子可能在傳播途中發(fā)生了振蕩現(xiàn)象。

根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子可分為三種，分別是電子中微子、繆子中微子與陶子中微子。中微子在“飛行”過程中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型的行為被稱為“中微子振蕩”。1998年日本的超級(jí)神岡探測(cè)器首次觀測(cè)到大氣中微子的振蕩現(xiàn)象，2001-2002年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺(tái)直接觀測(cè)到太陽(yáng)中微子從一種類型轉(zhuǎn)變到另一種類型的現(xiàn)象。從而在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)中微子振蕩的存在。2012年3 月，由中國(guó)科學(xué)家主持的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，被國(guó)際粒子物理界評(píng)價(jià)為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量到中微子的第三個(gè)混合角θ13的數(shù)值。根據(jù)量子力學(xué)，三種不同類型的中微子振蕩現(xiàn)象，說明中微子是有質(zhì)量的。中微子第三個(gè)混合角θ13作為粒子物理學(xué)的基本參數(shù)，不僅本身意義非凡，而且其數(shù)值的大小對(duì)進(jìn)一步研究宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱、反物質(zhì)消失之謎等問題意義重大。

?大亞灣中微子探測(cè)器

中微子：個(gè)頭小用處大

由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長(zhǎng)距離傳送要通過通訊衛(wèi)星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時(shí)損耗很小，如果用高能加速器產(chǎn)生10億電子伏特的中微子穿過地球時(shí)只衰減1/1000。因此，從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。人們假如將中微子束加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點(diǎn)進(jìn)行通信聯(lián)系，無需昂貴而復(fù)雜的衛(wèi)星或微波站，這便是中微子通信技術(shù)。中微子通信如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將在未來信息化疆場(chǎng)上有著極高的軍事應(yīng)用價(jià)值，尤其在水下對(duì)潛通信及對(duì)空、對(duì)天通信中有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

? 人類未來可能會(huì)利用中微子進(jìn)行通信

此外，未來中微子也許還可以應(yīng)用于地球斷層掃描，即“地層CT”。中微子與物質(zhì)相互作用的截面會(huì)隨中微子能量的提高而增加，如果用高能加速器產(chǎn)生能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質(zhì)作用，可以產(chǎn)生局部小“地震”，人們利用此原理可對(duì)深層地層進(jìn)行勘探，將地層一層一層地掃描。

科學(xué)家還相信，如果能夠更好地理解中微子，它還可以告訴我們地球內(nèi)部的放射性元素衰變數(shù)量，從而判定地球內(nèi)部的演化模型;沒準(zhǔn)它也可以告訴我們恒星以及遙遠(yuǎn)的超新星內(nèi)部的物理規(guī)律;而且因?yàn)橹形⒆釉谟钪嬷邢窆庾右粯佣啵绻懒怂馁|(zhì)量，人們甚至可能估計(jì)出宇宙中中微子的總質(zhì)量，進(jìn)而可以評(píng)估它對(duì)宇宙演化的作用。