中微子的旅程

戴維·凱澤+段曉茜

每一秒都會有許多被稱為中微子的隱形粒子飛速經過169公路上的大貨車和房車，前往明尼蘇達州東北部的麥金利公園，與加拿大邊界近在咫尺。這些中微子的旅程始于芝加哥西邊宏偉的費米實驗室。在明尼蘇達州蘇丹鎮(zhèn)的一個地下礦井中，一些高速運行的中微子撞到5噸重的鋼板，將帶電粒子弧傳送到探測器上。與露營車和房車不同的是，中微子穿越735千米完成它們的中西部之旅，用時僅不到0.003秒。

中微子是宇宙構造的基礎。它們的數(shù)量極其龐大，與原子數(shù)量的比約為109∶1。中微子可以調節(jié)導致巨大恒星爆炸成為超新星的反應，它們的性質提供了有關粒子物理學定律的線索。然而中微子作為最神秘的粒子之一，主要在于它們非常沉默：它們沒有電荷，幾乎沒有質量，與普通物質只發(fā)生微弱的相互作用。每隔1秒，就會有大約650億個中微子經過1平方厘米（約為拇指指甲大?。┑娜梭w，而你完全感受不到。

物理學家經過詳盡的探測，發(fā)現(xiàn)中微子有三種不同的類型，這就決定了中微子與其他粒子之間會產生不同的微弱作用。作為與眾不同的粒子，中微子可以在類型之間“振蕩”，并且在運動中由一種類型轉換為另一種類型。這一發(fā)現(xiàn)帶來了粒子行為標準理論的重大進步。目前，中微子及其微妙的振蕩已幫助物理學家證明了更為神秘的物質的存在。

最近，我與麻省理工學院的同事們運用蘇丹礦中的中微子監(jiān)測數(shù)據(jù)完成了截至目前量子力學領域最長距離的測試之一。在半個多世紀的時間里，中微子對科學家來說，已經從微弱的陌生粒子變身成為最重要的物質探測工具，可謂從有價值的采石場搖身成為重要的取證工具。在回顧這一轉型時，我們看到物理學家們不斷探索中微子的奧妙，與核時代的主流研究相得益彰（有時也會被其湮沒）。

法西斯主義在歐洲蔓延，物理學家被吸收進秘密項目。

中微子的發(fā)現(xiàn)可追溯到20世紀30年代，當時意大利著名的物理學家恩里克·費米研究出了針對放射性衰變等核現(xiàn)象的第一個可行性理論。為了使他的計算結果成立（實質上是作為一個記錄裝置來確保所有進入核反應的能量守恒），費米的同事沃爾夫岡·泡利假設有一種全新的、未經發(fā)現(xiàn)的粒子將部分能量帶走了。費米進一步完善了這一假設并把這種神秘的粒子稱為中微子，或“微小中性粒子”，因為理論上它不帶電。

無論是費米還是其他人，在當時都認為無法直接檢測到這種微小的物質。不久，法西斯主義在歐洲的蔓延阻礙了這一思想的繼續(xù)發(fā)展。隨著各國動員戰(zhàn)爭，沖突各方的物理學家都被吸收進入秘密項目。與此同時，意大利納粹組織頒布種族法律，使費米的家庭陷入危險之中（費米的妻子勞拉是猶太人）。1938年，他策劃了一場《音樂之聲》般的逃亡計劃，利用赴斯德哥爾摩接受諾貝爾獎之機逃出歐洲并前往美國，在那里，他成為曼哈頓計劃早期的科學領袖之一。1942年

12月，費米團隊在芝加哥成功地使第一個核反應堆進入臨界狀態(tài)，誘發(fā)可控核裂變。他們的反應堆在戰(zhàn)爭期間擴大了規(guī)模，用于生產原子彈用钚。

隨著戰(zhàn)后研究的進行，物理學發(fā)生了巨大的變化。歷史上最血腥的武裝沖突隨著原子彈爆炸宣告結束，廣島和長崎深受其害。戰(zhàn)爭中，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市匆匆建成的實驗室是曼哈頓計劃主要的協(xié)調現(xiàn)場。戰(zhàn)后，實驗室繼續(xù)專注于改善和擴大美國國家核武庫，使得物理學家在西方國家特別是美國獲得了新的聲望（和資金）。在此背景下，20世紀50年代初，人們見證了在洛斯阿拉莫斯首次認真探測中微子的歷史。

在礦井內，科學家懸掛了一臺重達1噸的檢測器，綽號為“怪物”。

弗雷德里克·萊因斯是洛斯阿拉莫斯實驗室的一名年輕物理學家，曾參與在太平洋中部的埃尼威托克島環(huán)礁進行的新武器測試。從1951年春天的一系列炸彈試驗中歸來后，他和費米展開了對中微子的探討，費米隨后訪問了該實驗室。萊因斯意識到，他和團隊正在埃尼威托克等地進行的地面核爆炸研究應該會產生數(shù)量龐大的中微子，而總有一部分中微子是可以被檢測到的。

萊因斯和洛斯阿拉莫斯實驗室的另一名同事克萊德·考恩說服實驗室主任讓他們在即將進行的核彈測試中進行試驗。他們首先會在炸彈爆炸的地方挖一條狹窄的隧道，在里面懸掛一臺重達1噸、綽號為“怪物”的探測器。當核彈爆炸時，炸彈爆炸的巨大沖擊波將隆隆地穿過周圍地面，精心排列的電子會釋放探測器，讓它自由下落。沖擊波經過的片刻之后，探測器就會降落在一

堆羽毛和泡沫橡膠上。如果把探測器固定在離爆炸很近的地方，沖擊波會將其炸碎。

因為埋在礦井底部，探測器會被爆炸形成的火球中包含的中微子淹沒。檢測器上的敏感電子——一個充滿甲苯（油漆稀釋劑中常見的一種有機分子）溶液的大桶將監(jiān)測光線的閃爍。一次閃爍意味著數(shù)以百萬計的中微子中的一個擊中了液體中的物質，并動搖了電子的反物質——正電子。同時，物理學家必須等待幾天，直到當?shù)氐挠泻Ψ派湫晕镔|完全消失，才能回來挖到井下460米深并取回儀器。

在準備核彈試驗的過程中，萊因斯和考恩意識到，他們也可以用一種不那么夸張的方式尋找中微子。通過對實驗計劃進行修改來排除虛假讀數(shù)，他們可以在核反應堆旁安裝液態(tài)填充探測器，而不是在炸彈下面安裝探測器。兩名研究人員在華盛頓漢福德的某個超大型反應堆附近進行了試點測試，與其相比，費米當年使用的反應堆小到不值一提。結果令人滿意。于是，1955年年

底，他們在南卡羅來納州薩凡納河的一個更強大的新反應堆上安裝了一個改進裝置。（薩凡納河工廠專門生產氫彈用氚，該元素的破壞性是核彈的數(shù)千倍。）在數(shù)月內，萊因斯和考恩記錄下了足夠多的微小閃爍，用事實向同事及諾貝爾獎委員會證明他們成功捕捉到了中微子。

費米的前助理布魯諾·蓬泰科爾沃對該領域的發(fā)展表現(xiàn)出了特別的興趣。20世紀30年代，蓬泰科爾沃在羅馬加入費米團隊，成為其中最年輕的成員，并得到了“小狗”的昵稱。他沉浸于奧妙無窮的核物理研究，包括費米的放射性新理論以及新興的中微子假設理論。蓬泰科爾沃來自猶太家庭，在發(fā)現(xiàn)意大利沒有自己的立足之地后也選擇了逃離。他逃離法西斯主義的方式比費米的更富戲劇性，更像是電影《卡薩布蘭卡》中的情節(jié)，讓《音樂之聲》中的橋段都顯得平淡無奇——他先是逃往巴黎求學，然后在1940年6月的一個夜晚，納粹坦克開進這座城市之際，從鄉(xiāng)下悲慘地逃走。在法國南部，蓬泰科爾沃坐上了前往馬德里的火車，最終從里斯本乘船到達紐約。

抵達美國之后，蓬泰科爾沃也參與了曼哈頓計劃。他被分配到一個在蒙特利爾工作的英國研究小組，負責完善與位于芝加哥的費米核反應堆類型不同的核反應堆。戰(zhàn)后，他在靠近牛津的哈威爾英國核研究機構就職，繼續(xù)研究反應堆。當時，他提出可以嘗試從核反應堆中探測中微子，比萊因斯與考恩的研究思想早了若干年。

西蒙·圖切蒂的《蓬泰科爾沃事件》（2012）和弗蘭克·克洛斯的《半條命》（2015）記錄

了蓬泰科爾沃曲折離奇的人生故事。蓬泰科爾沃被認為與費米和羅馬學派的其他成員一道發(fā)明了減緩某些核粒子速度、提高特定核反應速度的專利技術。這項技術被證明是戰(zhàn)時核裂變研究的關鍵，無論是對反應堆還是對核彈都至關重要。早在1935年和1940年，意大利與美國就分別批準了該專利，然而，到了戰(zhàn)后，情況急轉直下。

1949年，羅馬學派的其他成員要求賠償他們的專利技術，此時該技術早已被直接納入美國龐大核設施的基礎建設之中。專利爭論引發(fā)了聯(lián)邦調查局的調查，并牽連出蓬泰科爾沃的一些親戚曾被意大利認定為共產黨人的歷史。幾周后，蓬泰科爾沃在哈威爾的同事克勞斯·富克斯承認自己曾在戰(zhàn)爭期間將原子機密交給蘇聯(lián)人。與蓬泰科爾沃一樣，富克斯也是來自歐洲大陸的移民，曾在曼哈頓計劃中擔任英國代表團成員。由此，事件突然變得撲朔迷離。

接下來的情況聽上去簡直就是一部勒卡雷的諜影小說。1950年9月初在意大利度假期間，蓬泰科爾沃和家人突然從羅馬到達慕尼黑，后經由斯德哥爾摩到達赫爾辛基并在那里與蘇聯(lián)特工接頭。蓬泰科爾沃的妻子和年幼的孩子進了一輛車，而蓬泰科爾沃則爬進另一輛車的行李箱中并跟隨秘密商隊穿過森林到達蘇聯(lián)。幾小時后，一行人抵達列寧格勒并于短短幾天內被送往莫斯科，等到英、美當局恍然大悟時已經過去了幾周時間。最終，美國國際原子能聯(lián)合委員會發(fā)布了一

份關于“蘇聯(lián)原子間諜”的詳細報告，宣稱蓬泰科爾沃的叛逃行徑堪比富克斯事件，甚至比后來被執(zhí)行死刑的羅森堡夫婦更為惡劣。

聳人聽聞的蓬泰科爾沃叛逃事件在英美兩國引起了軒然大波，而此時的蓬泰科爾沃本人卻在莫斯科的杜布納核子研究所找到了用武之地?？寺逅乖跁刑岬剑鶕?jù)對蓬泰科爾沃當時的個人筆記進行的審查，蓬泰科爾沃的確曾為蘇聯(lián)秘密核武器項目提供咨詢。但很快，他又獲得了從事更多基礎研究的空間。在研究了萊因斯和考恩的發(fā)現(xiàn)之后，他再次將視野落在了他鐘愛的中微子上。

面對麥卡錫時代的調查，隱藏流動的、不確定的身份并不是一件容易做到的事。

1957年，蓬泰科爾沃在國際領先的《蘇維埃物理學》雜志上發(fā)表了一篇文章，提出中微子可以在不同品種或“風味”之間振蕩。他在一系列論文中提煉出這個想法，從量子理論推導出中微子并非處于單一的風味狀態(tài)，而是應該處于兩種風味的重疊狀態(tài)。每當進行測量時，物理學家都只能在一種狀態(tài)中找到給定的中微子。但是在兩次觀測之間，中微子不具有固定的身份。它們將生活在一種統(tǒng)計不確定的狀態(tài)，具有一種風味的同時也具有另一種風味。

在量子世界和人類規(guī)則之間似乎有著強烈的對比。當麥卡錫時代的調查人員質詢“你現(xiàn)在或是曾經……”這樣的問題時，隱藏流動的、不確定的身份并不是一件容易做到的事，不過蓬泰科爾沃本人已經迅速地在幾個不同的身份中完成轉換——從費米麾下羅馬學派年輕的“小狗”搖身成為為克格勃效力的布魯諾·馬克西摩維契·蓬泰科爾沃院士。

蓬泰科爾沃理論的貢獻之一是影響了物理學家對太陽的理解。太陽是一個巨大的核反應堆，核物理學的理論對太陽產生的中微子通量做出了非常精確的預測。然而，比萊因斯—考恩實驗更敏感的后續(xù)實驗只發(fā)現(xiàn)了太陽中微子預期數(shù)量的1/3。20世紀60年代后期，美蘇關系出現(xiàn)緩和，蓬泰科爾沃能夠與西方的同事們直接分享他的最新想法。此時，他計算出中微子應該在三種風味之間振蕩。如果確實如此，那么只對其中一種風味敏感的太陽中微子探測器應該記錄下實驗人員不斷發(fā)現(xiàn)的中微子通量的讀數(shù)。

多年的數(shù)據(jù)證實了這種模式并最終說服了懷疑論者。即使如此，太陽—中微子讀數(shù)僅提供了中微子振蕩的間接證據(jù)。下一個挑戰(zhàn)是設法在行動中捕捉它們。世界各地的研究組織紛紛在地下建立起比萊因斯和考恩的原始設計大數(shù)千倍的探測器。在20世紀90年代末和21世紀初，加拿大安大略省薩德伯里中微子天文臺（SNO）的研究者與日本超級神岡探測器研究團隊分別積累了令人信服的中微子振蕩數(shù)據(jù)。振蕩的存在表明，中微子并非沒有質量，這與當時的主流預測恰好相反。

中微子質量的起源和性質仍然是一個重要的探索領域。物理學家還會繼續(xù)測試自然界中是否只存在三種中微子。一旦中微子的種類超過三種就可以毫無疑問地證明一點：粒子物理學的標準模型——40多年來成功地描述了所有涉及基本粒子實驗的理論——是不完整的。

物理學家梶田隆章和亞瑟·麥克唐納分別作為超級神岡和薩德伯里研究項目的帶頭人于2015年10月獲得諾貝爾獎。三周后，基礎物理學年度突破獎為參與項目的近1400名物理學家頒發(fā)了300萬美元獎金。我的朋友兼麻省理工學院的同事喬·福爾馬焦是薩德伯里項目的成員之一，他用部分獎金購買了一瓶上好的葡萄酒，這超出了他日常的消費水平。

中微子的研究似乎比以往任何時候都更加精彩，為超越標準模型提供了誘人的路徑。然而，當喬提出可以讓中微子以不同的方式工作時，我對這些粒子產生了不同以往的興趣，那就是測試量子力學的核心原則之一，即最根本的物質理論。

近一個世紀以來，物理學家一直在運用量子力學理論研究原子和原子的組成部分。盡管該理論的預測從未失敗過，但量子力學卻有許多奇異的特征。例如，20世紀20至30年代，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾認為，根據(jù)量子理論，粒子在測量之前的各種性質不具有確定性，就像一個人在上稱之前沒有確定的重量一樣。此外，量子理論似乎只提供了各種事件的概率，而不同于艾薩克·牛頓引力定律或阿爾伯特·愛因斯坦相對論中給出的堅如磐石的預言。

1935年，費米將注意力轉向微小的中微子，并致力在量子理論的框架內理解核反應，而愛因斯坦與同事歐文·薛定諤卻做出了量子理論本身值得懷疑的論斷。在那年夏天的信件往來中，他們慫恿對方想辦法向其他同事證明，即便在一個奇怪的世界里（一個充斥著邏輯與理性的血腥世界），量子理論仍顯得非常奇怪。那時候愛因斯坦和薛定諤都逃離了納粹德國：愛因斯坦在新澤西普林斯頓的綠蔭中安了家，而薛定諤移居到牛津，后在都柏林定居。

他們二人的精神交流產生了最著名的物理學思想實驗之一——“薛定諤的貓”。假設一個沒有窗戶的盒子里面有一只貓，一位物理學家事先在貓的身旁放置了一些放射性物質，根據(jù)量子理論的概率規(guī)律，該物質在既定時間內（比如一個小時）的衰減概率為50%。如果該物質確實衰減了，盒內的探測器將記錄該過程并釋放錘子，打碎一小瓶氰化物，毒死貓；如果放射源在規(guī)定的時間內沒有衰減，毒藥瓶將保持完好，貓也會繼續(xù)生存。

薛定諤的挑戰(zhàn)可能會讓我們有小題大做之感，或者聯(lián)想到《行尸走肉》中的橋段，但他的目標直指量子理論本身。在物理學家打開盒子觀察貓是死是活之前，玻爾心儀的量子理論只能將貓描述為處于疊加狀態(tài)：活不活，死不死，這是一種混合的僵尸狀態(tài)，是我們在日常生活中觀察不到的混合對立。

薛定諤和愛因斯坦認為這樣的結論毫無意義。他們堅持認為，任何合理的物理學理論都應該能夠在任何特定時刻準確賦予貓活力值。兩位物理學家擔心，一味強調疊加是向認識論投降的一種形式，違背了物理學家以精確和預測的方式描述自然的長期目標。但玻爾仍不為所動。他堅持認為量子理論指出的是世界存在的方式，與人類經驗產生的預期完全不同。如果量子理論的方程式具有疊加狀態(tài)的特征——物質的行為是“亦此亦彼”，而不是“非此即彼”，那么物理學家就需要讓自己的思維適應這種怪異特征。疊加被認為是量子行為的標志。

檢測中微子特定風味的概率像波一樣通過空間和時間傳播。

根據(jù)量子理論，中微子的風味變化方式十分類似于薛定諤的半死半活的貓，從而使中微子振蕩成為探索疊加有效性的有力途徑。我的同事喬·福爾馬焦意識到，我們可以分析中微子的風味混合如何隨粒子的運動而發(fā)生變化，最終確定為單一味道（相當于“死”貓或“活”貓的確定性判定）。我和喬與兩位優(yōu)秀的學生——本科生塔利亞·韋斯和研究生米克拉·莫思吉——一道，著手開始研究。

蓬泰科爾沃的中微子振蕩理論基于量子疊加的概念，與最新實驗數(shù)據(jù)完美匹配。但是，我們想知道，相同的數(shù)據(jù)可以與替代理論兼容嗎。也許愛因斯坦和薛定諤希望看到的理論是粒子不存在疊加且在每一時刻都具有確定的屬性，這樣就可以很好地解釋數(shù)據(jù)。福爾馬焦的主要觀點是，如果中微子真正受到量子疊加的控制——如果它們通過空間縮放為“亦此亦彼”而不是“非此即彼”，那么在特定位置檢測特定風味的可能性的數(shù)量應該不同于每個中微子在任何給定時刻擁有

一個確定的身份的數(shù)量，并且隨著時間的推移在不同的身份之間振蕩。

雖然我們的分析有點巴洛克風格，但實質上它只是簡單的觀察。根據(jù)量子力學，檢測中微子特殊風味的概率像波一樣通過空間和時間傳播，與一個中微子風味相關的波與另一種風味的波頻率稍微不同。對于一個疊加狀態(tài)的中微子，那些不完全相同的波可能會相互干擾，就像重疊的波在池塘表面相互干擾一樣。在中微子旅程的某些位置，每個概率波的波峰會對齊，而在其他位置，一個波峰將與一個波谷彼此抵消。

由此導致了可以直接檢測到的效果。當波峰相遇時，發(fā)現(xiàn)特定風味的概率上升；在波峰波谷彼此抵消時，這種概率下降。此外，干擾圖案——那些波峰與波峰疊加的地方——應該隨中微子的能量而改變。另一方面，在缺乏疊加的對立理論中，如那些由愛因斯坦和薛定諤堅持的理論中則不會出現(xiàn)這樣的干擾圖案。我們計算出在給定風味中應該檢測到的中微子數(shù)量的不同模式，因為它們的能量變化取決于中微子是否在疊加態(tài)中運行。然后，我們將這些計算結果與主注入器中微子振蕩搜尋（MINOS）的數(shù)據(jù)進行了比較。自2005年起，該實驗就從費米實驗室向蘇丹礦持續(xù)發(fā)射中微子束。

量子力學的計算結果與主注入器中微子振蕩搜尋的數(shù)據(jù)精確匹配，而與愛因斯坦式的理論數(shù)據(jù)相去甚遠。即使考慮到不確定性和統(tǒng)計的偶然性可能會扭曲實驗結果，我們仍發(fā)現(xiàn)中微子由愛因斯坦式的物質理論操控且沒有疊加的可能性不到十億分之一。

像疊加這樣的量子效應通常只在幾十到幾百納米的短距離上表現(xiàn)出來，但我們的測試在735千米范圍內證明了確定無誤的量子奇異性。這可能僅僅是個開始。世界上充斥著從太陽發(fā)出的穿越1.5億千米的中微子，南極的冰立方中微子天文臺進行的尖端實驗現(xiàn)在可以監(jiān)測到原始的中微子，它們從大爆炸開始已經穿越了數(shù)十億光年的空間。也許像這樣的中微子也可以被用來揭示量子疊加的跡象，然后我們可以在浩瀚的宇宙距離中檢驗量子理論的核心特征。

與此同時，我和我的同事也驚奇地發(fā)現(xiàn)，對于量子力學中所有明顯的奇異之處，它的預測在人類層面上也是成立的。中微子經歷的從費米實驗室到蘇丹礦的漫長旅途，與蓬泰科爾沃傳奇般地從羅馬到巴黎再到赫爾辛基直至莫斯科的旅程如出一轍。跨越了如此漫長的距離，我們可以自信地說，我們確實生活在一個奇異的疊加世界。