希格斯玻色子

2018年7月，由威斯康辛大學麥迪遜分校主導的“冰立方”小組宣布，冰立方探測器于2017年9月22日探測到一個來自37億光年之外的超高能中微子。美國宇航局（NASA）的費米衛(wèi)星小組則宣布：在同一方向的一個編號為TXS 0506+056的天體的伽瑪射線的亮度在此期間突然變大，這意味著這個中微子很可能來自耀變體TXS 0506+056。這個結(jié)果還意味著有某種過程，能夠同時產(chǎn)生高能中微子和高能伽瑪射線光子。

能幾乎同時觀測到同一個天體發(fā)射的中微子和光子，意味著人們已經(jīng)破解了中微子和宇宙線的一部分秘密，也意味著多信使天文學獲得了又一個重要進展。事實上，在過去的幾十年里，中微子揭示出大量的秘密，例如：大質(zhì)量恒星何以成為超新星？太陽中微子為什么會失蹤？中微子究竟有沒有質(zhì)量？

1930年，中微子這個粒子首先被預言。此后至今近百年時間，中微子一直活躍在物理學的理論核心，受到物理學家和天文學家的高度重視。在此期間，物理學家對中微子的研究，共獲得了4次諾貝爾物理學獎。這足以證明，看上去微不足道的中微子在物理學研究中是何等重要。那么，什么是中微子？什么是宇宙線？為什么說這個成果解開了它們的一些秘密呢？

神秘的幽靈粒子

長期以來，物理學家相信，在任何物理過程中，能量都是守恒的，這就是“能量守恒定律”。但是，20世紀20年代后期，物理學家們卻為一個現(xiàn)象所困擾：放射性物質(zhì)發(fā)生β衰變的過程中，能量不守恒，有些能量似乎丟失了。

針對這個現(xiàn)象，有物理學家提出：在β衰變中，“能量守恒定律”必須放棄。但是，物理學家泡利卻提出：在β衰變的過程中，能量依然是守恒的，只不過其中有種帶著能量的粒子逃過了探測器的探測。這種粒子質(zhì)量非常小，不帶電，與物質(zhì)的相互作用非常微弱。由于當時的技術無法探測到它們，物理家們才認為能量憑空消失了。

這個神秘的微小粒子最終被稱為“中微子”?！爸小?，表示其不帶電;“微”，表示其質(zhì)量非常小。1933年，物理學家費米提出，β衰變的本質(zhì)是：一個中子通過弱相互作用衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子與一個中微子。

從1930年泡利提出中微子的假設開始，物理學家們就努力尋找中微子，但都沒有結(jié)果，因為中微子與物質(zhì)的相互作用實在太微弱了，非常難捕捉。我們知道，幾厘米厚的鉛板就可以屏蔽X射線和伽瑪射線。但是，即使是幾億千米厚的鉛板，也無法屏蔽中微子。

直到1956年，科萬和萊茵斯才首次觀測到核反應堆里產(chǎn)生的“中微子”，終于證明了泡利提出的中微子假說。在科萬和萊茵斯的試驗中，每秒鐘每平方厘米產(chǎn)生的中微子數(shù)目是50萬億個，但其中只有3個能與質(zhì)子發(fā)生反應，產(chǎn)生信號，可見中微子與物質(zhì)的相互作用是多么微弱。1995年，萊茵斯因為這個成就獲得了諾貝爾物理學獎;科萬在1974年就已逝世，因此沒能獲獎。

過去幾十年的無數(shù)實驗都證明，中微子確實是一種非常輕的粒子，比電子還輕得多，以至于長期以來人們假定中微子的靜止質(zhì)量為零。

中微子的來源與種類

中微子有多種來源。宇宙中第一批中微子來自極早期宇宙的“核合成”，它們被稱為“背景中微子”。背景中微子的能量非常低，至今仍未被探測到。當然，除了尚未被探測到的背景中微子之外，宇宙中還有多個場所會產(chǎn)生中微子。比如太陽內(nèi)部的核反應會釋放出大量中微子;大質(zhì)量恒星死亡后，內(nèi)部如果產(chǎn)生中子星，中子星表面就會產(chǎn)生大量中微子;宇宙中一些光子和質(zhì)子碰撞，就會產(chǎn)生中微子;放射性元素發(fā)生β衰變，也會產(chǎn)生中微子。

中國科學院高能物理研究所的中微子專家曹俊研究員列出了幾個與中微子有關的數(shù)據(jù)：一個典型的核反應堆每秒鐘產(chǎn)生6×1020個中微子，每秒鐘有3×1016個太陽中微子穿過每個人的身體，在整個宇宙空間內(nèi)宇宙大爆炸后殘余的中微子更是多達每立方厘米330個。大多數(shù)核反應過程都會產(chǎn)生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石天然放射、超新星爆炸等等，連人都會因體內(nèi)的鉀-40衰變而每天產(chǎn)生4億個中微子。

上文已經(jīng)提到，中微子有多種起源，那么中微子有幾種類型呢？過去多年的研究表明，中微子共有3類：電中微子、謬中微子、陶中微子。它們分別與電子、謬子、陶子相對應。謬子和陶子的性質(zhì)與電子基本相似，但質(zhì)量卻比電子大得多，因此可視其為“重電子”與“超重電子”。

科學家發(fā)現(xiàn)，每一類中微子都被稱為1個“味”，3類中微子就有3種“味”的中微子。每種中微子的味道都是不同的，就像你童年時品嘗的香草、草莓和巧克力那不勒斯冰激凌一樣。中微子的實際味道來自于它們與其他亞原子粒子的聯(lián)系。這3個味的中微子都有對應的“反粒子”，即“反中微子”。因此，中微子有6類：電中微子，反電中微子;謬中微子，反謬中微子;陶中微子，反陶中微子。

β衰變過程中，釋放的就是反電中微子。科萬和萊茵斯于1956年發(fā)現(xiàn)的也是反電中微子。1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格用質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)了第2種“味”的中微子——謬中微子，他們因此于1988年獲得了諾貝爾物理學獎。2000年，美國費米實驗室首次發(fā)現(xiàn)了第3種“味”的中微子，即陶中微子。

理論研究表明，3種“味”的中微子會彼此轉(zhuǎn)化，即振蕩。3味中微子之間會產(chǎn)生3類振蕩：電中微子-謬中微子互相振蕩、謬中微子-陶中微子互相振蕩、電中微子-陶中微子互相振蕩。這就像三角形的3個頂點沿著3條邊振動一樣。

中微子探測技術

中微子與物質(zhì)的相互作用非常微弱且不帶電，因此不能被直接探測到。但為什么科學家們還是找到了中微子呢？這是因為，大量中微子穿過某類介質(zhì)時，有極少數(shù)中微子會與介質(zhì)中的粒子碰撞，使探測器中的極少一部分原子轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類的原子，或者激發(fā)出帶電粒子。科學家們分離出變化的原子或者探測那些被激發(fā)出來的帶電粒子，就可以間接探測到中微子。

迄今科學家們采用了5類方法來探測中微子，它們分別是：閃爍器法、放射性化學法、切倫科夫法、徑跡法與集體反沖法。其中，第4類方法主要用于加速器中微子的探測，最后一類方法只適用于非常小的探測器，因此我們只介紹前3類適用于大多數(shù)中微子探測的方法。

第一類中微子探測器使用閃爍液。在這類中微子探測器中，中微子與某些原子中的質(zhì)子或中子碰撞，產(chǎn)生新的粒子，后者產(chǎn)生信號。比如，科萬和萊茵斯的試驗中，反應堆產(chǎn)生的反中微子與質(zhì)子碰撞，產(chǎn)生了中子和正電子。正電子與介質(zhì)中的電子反應，湮滅為一對光子而被閃爍器捕獲;中子被探測器里的氯化鎘中的鎘原子核捕獲。中國的大亞灣中微子探測器也采用這個方法進行探測。

第二類中微子探測器使用放射性化學法。這種方法利用的原理是：中微子與原子核里的中子碰撞，產(chǎn)生質(zhì)子和電子。這個反應使原子變?yōu)榱硪环N原子。例如，中微子與氯-37原子中的中子反應，產(chǎn)生質(zhì)子和電子，穩(wěn)定的氯-37原子變成了放射性的氬-37原子，然后就可以用化學方法將氬-37與氯-37分離開來。1968年，戴維斯用這個方法探測到太陽中微子。

再如，中微子可以將一些鎵-71轉(zhuǎn)變?yōu)殒N-71。但這類方法只能用來計算參與反應的中微子數(shù)目，而不能計算出中微子的能量和方向。由于戴維斯計算出的參與反應的中微子的數(shù)目比太陽聚變理論得到的數(shù)值小很多，由此引發(fā)了“太陽中微子失蹤之謎”這個著名爭論，有力地推動了多個領域的發(fā)展。蘇聯(lián)-美國鎵實驗（Soviet–American Gallium Experiment，縮寫為SAGE）、意大利的“鎵實驗”（GALLEX）中微子探測器都使用鎵來制造反應體。而由于鎵的價格高昂，人們更傾向于使用其他便宜的材料來制造更大的同類探測器。

第三類中微子探測器使用切倫科夫法。這類探測器的原理是中微子碰撞介質(zhì)（主要有純凈水、重水和冰）中的原子，產(chǎn)生電子或謬子。如果電子或謬子的速度超過了介質(zhì)里面的光速，就會發(fā)出一種輻射。因為這是俄國物理學家切倫科夫首先提出的，所以這種輻射被稱為“切倫科夫輻射”。科學家們根據(jù)中微子探測器接收到的切倫科夫輻射，就可以判斷出中微子的存在并確定它們的能量等重要物理性質(zhì)。著名的神岡探測器、超級神岡探測器、薩德伯里中微子天文臺、“冰立方”等強大的中微子探測器都是采用這個原理來探測中微子的。

中微子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高速粒子發(fā)出光的示意圖。紅色部分代表介質(zhì)的分子，中微子撞擊分子里的粒子，產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子高速運動，發(fā)出的藍光就是切倫科夫輻射光。

這些中微子探測器有以下兩個共同點：一是放置在山洞或者很深的地下礦井里，利用巖石屏蔽掉來自宇宙線所產(chǎn)生的干擾，過濾掉假信號。二是采用放射性化學法的探測器放在高度純凈的水中，這些純凈水可吸收巖石、大氣與灰塵發(fā)出的放射性射線，過濾掉假信號。

理解中微子是了解宇宙的關鍵。中微子可以幫助我們識別宇宙中尚未檢測到或尚未被理解的其他力量。如果我們能夠搞清楚中微子的本質(zhì)是什么，也許我們就可以回答一些最重要的物理問題，而弄清這些問題正是我們生存的基礎。