用水晶球逼“幽靈粒子”現(xiàn)身

黃增強(qiáng)

在我國廣東江門界于陽江核電站與臺(tái)山核電站兩座核電站之間，正在挖掘一個(gè)巨大的空洞，空洞中建有一個(gè)超級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安裝了一個(gè)12層樓高的水晶球?？茖W(xué)家們將用這一巨器逼“幽靈粒子”中的微子現(xiàn)身，吐露其秘密身世。

中微子，又被稱作微中子，是輕子的一種，也是組成自然界最基本的粒子之一。它個(gè)頭小、質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬分之一），不帶電荷，以接近光速的運(yùn)動(dòng)可自由穿過地球，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用。中微子由于極為神秘且難以捕捉，所以有“幽靈粒子”之稱。

中微子分為電子中微子、繆中微子和陶中微子三種。一個(gè)質(zhì)量幾乎為零的中微子，不像光子一樣都有兩個(gè)偏振態(tài)，它只有一個(gè)偏振態(tài)，只有一個(gè)左旋而沒有右旋，這就使得它在弱相互作用中不守恒。另外，中微子還有一個(gè)特別奇怪的性質(zhì)，就是它可以發(fā)生振蕩。所謂振蕩，就是指中微子在飛行當(dāng)中，如電子中微子可以變成繆中微子，然后又變回電子中微子。

中微子的作用十分廣泛，如它能監(jiān)測核武器制造：當(dāng)利用核反應(yīng)堆提取核武器原料“钚”時(shí)，所產(chǎn)生的中微子流量會(huì)上升，所以通過中微子探測器發(fā)出的信號(hào)，可以監(jiān)測其是否有制造核武器的可能;它還能找到反物質(zhì)：在過去的近百年里，人類始終沒有發(fā)現(xiàn)自然界中有反物質(zhì)存在的跡象，可能的答案只有兩種——反物質(zhì)已經(jīng)徹底不存在了，或者它仍存在于別處。而中微子振蕩參數(shù)矩陣中的最后一個(gè)參數(shù)——CP相位角或許將最終揭開謎底;它甚至能給地球做CT：中微子可用于地球斷層掃描，進(jìn)入我們無法觸及的地球深部，讓人類對(duì)地球的構(gòu)造、資源勘探有更加深刻的認(rèn)識(shí)與了解，同時(shí)，讓地震預(yù)報(bào)成為現(xiàn)實(shí)。中微子與我們的關(guān)系十分密切，可以說沒有中微子，就不可能有地球上的生命。

鑒于中微子與人類密切相關(guān)，所以世界各國的科學(xué)家都十分重視對(duì)中微子的研究。為了觀測和捕捉中微子，科學(xué)家們頗費(fèi)周折。20世紀(jì)20年代末，科學(xué)家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉(zhuǎn)變成另一種核）時(shí)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過程中有一部分能量不知去向，前后能量不守恒，這使得科學(xué)家們不勝困惑。當(dāng)時(shí)年僅30歲的奧地利物理學(xué)家保利對(duì)能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直覺預(yù)言：在此過程中，必定還有一種不帶電的、質(zhì)量極小的與物質(zhì)相互作用極弱，以至于無法探測到的新粒子放出來，是它帶走了那一部分能量。他把這種未知的粒子叫作“小中子”，就是現(xiàn)在說的“中微子”。 2005年，美國、日本等8個(gè)國家的科學(xué)家在南極點(diǎn)下面一個(gè)邊長1千米的立方體冰層內(nèi)部建了一個(gè)“冰立方”中微子望遠(yuǎn)鏡觀測站。2012年4月，“冰立方”在大麥哲倫云星系的一顆超新星爆發(fā)期間發(fā)現(xiàn)了兩起能量大于1000萬億電子伏特的中微子事件。

2007年10月，我國開工建設(shè)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室，利用大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子來尋找和發(fā)現(xiàn)中微子。要想捕捉和發(fā)現(xiàn)中微子，首先要發(fā)現(xiàn)中微子的振蕩模式。自然界中有三種中微子振蕩，即大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩、反應(yīng)堆和加速器中微子振蕩。前兩種振蕩模式分別被日本的梶田隆章和加拿大的麥克唐納等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了，而反應(yīng)堆和加速器中微子振蕩模式就像宇宙中的“隱身人”，一直未被發(fā)現(xiàn)。2012年3月8日，大亞灣實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)堆和加速器中微子振蕩模式，被稱為中微子物理的一個(gè)里程碑，被國際粒子物理界評(píng)價(jià)為“開啟了未來中微子物理研究的大門”。

為了早日尋找和發(fā)現(xiàn)中微子，2014年年底，中微子超級(jí)實(shí)驗(yàn)室在廣東江門動(dòng)工。新建的超級(jí)實(shí)驗(yàn)室，位于陽江核電站與臺(tái)山核電站兩座核電站之間。在700多米深的花崗巖下的山體隧道中挖掘了一個(gè)直徑50米、高70米的巨型大廳，大廳里安置了一個(gè)12層樓高的水晶球，水晶球會(huì)一次次閃爍。這個(gè)水晶球是一個(gè)直徑35.4米、厚12厘米的空心有機(jī)玻璃球，它浸泡在一個(gè)灌有3萬噸液體（叫作液閃）作為靶物質(zhì)的池里，被鋼架拴牢。水池是圓柱體，直徑43.5米，深44米，水池上方是各種測量設(shè)施。

江門中微子實(shí)驗(yàn)室安置的實(shí)驗(yàn)裝置，是我國最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)室里安裝的水晶球是人類制造過的最大的有機(jī)玻璃球，目前世界上用于粒子物理的有機(jī)玻璃球比它小20倍?，F(xiàn)在，由我國主持的江門中微子實(shí)驗(yàn)這項(xiàng)超級(jí)實(shí)驗(yàn)，已有來自中國、捷克、法國、芬蘭、德國、意大利、俄羅斯和美國等17個(gè)國家和地區(qū)，77所高校與科研院所，600多位科學(xué)家及科研人員加入此項(xiàng)合作組織參與實(shí)驗(yàn)。

江門中微子超級(jí)實(shí)驗(yàn)室將于2019年年底建成并投入運(yùn)行，計(jì)劃至少運(yùn)行20年。實(shí)驗(yàn)室投入運(yùn)行后，水晶球?qū)?huì)逼中微子這個(gè)“幽靈粒子”現(xiàn)身，吐露其身世秘密。