中微子:來(lái)自太空的神秘信使

茫茫宇宙中，存在許多神秘的粒子，共同構(gòu)成了整個(gè)世界。中微子就是其中之一。

如果你伸出拇指并眨一下眼睛，在這短短的一瞬間，就有將近百億個(gè)中微子穿過(guò)你的拇指。雖然有這么多的中微子和我們密切接觸，但這些粒子卻很神秘，不愿意透露自己的蹤跡。在一個(gè)人的漫長(zhǎng)一生中，可能只有一兩個(gè)中微子會(huì)停下來(lái)，與身體內(nèi)部的原子核和電子發(fā)生相互作用。人們很難感受到中微子的存在，甚至科學(xué)家觀測(cè)中微子的難度也很高。

但是，這種看似微不足道的粒子，卻令無(wú)數(shù)科學(xué)家魂?duì)繅?mèng)縈。中微子研究為理解物理學(xué)基本問(wèn)題提供了一把“金鑰匙”?？茖W(xué)家們對(duì)破解中微子之謎的迫切愿望，促使中微子成了國(guó)際粒子物理研究的熱點(diǎn)之一。

破解能量消失之謎

——中微子的發(fā)現(xiàn)

19世紀(jì)后期，研究人員在研究β衰變時(shí)，觀測(cè)到一種奇怪的現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒定律，中子衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，電子的能量應(yīng)該是中子和質(zhì)子的能量差。但實(shí)際測(cè)量到的電子能量比預(yù)測(cè)的能量要小，這意味著有一部分能量居然憑空消失了。

為了解釋這種現(xiàn)象，1930年，著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇岢隽艘粋€(gè)假說(shuō)：中子衰變后，除了質(zhì)子和電子，還產(chǎn)生了第3個(gè)粒子。這個(gè)粒子也會(huì)從原子核中飛出，正好攜帶消失的能量和動(dòng)量。這個(gè)粒子是一種不帶電荷、沒(méi)有或質(zhì)量很小的新型粒子，自旋為1/2，可以確保β衰變中的能量守恒和角動(dòng)量守恒。

1934年，核反應(yīng)堆之父恩里科·費(fèi)米，將這種新型粒子命名為“中微子”。他還指出了中微子的關(guān)鍵特性：不帶電荷，體積非常小。自此，中微子正式擁有了名號(hào)。

雖然理論物理學(xué)家很早就預(yù)測(cè)了中微子的存在，但實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家用了整整26年的時(shí)間才找到它的存在跡象。1956年，物理學(xué)家弗雷德里克·萊恩斯和克萊德·考恩帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)探測(cè)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電子反中微子，觀察到了中微子存在的證據(jù)，這一年也被學(xué)界定義為“中微子元年”。他們使用薩凡納河核電站核反應(yīng)堆產(chǎn)生中微子，用一個(gè)10噸重的探測(cè)器，歷經(jīng)5個(gè)月終于捕捉到了中微子。他們隨即給沃爾夫?qū)づ堇l(fā)送了一封電報(bào)，分享了這一重要成果：“很高興地通知你，我們已經(jīng)確定探測(cè)到中微子?！?/p>

中微子的發(fā)現(xiàn)，為科學(xué)家們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解微觀世界提供了“巨人的肩膀”。

破解味道改變之謎

——中微子的振蕩

1957年，蘇聯(lián)科學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫和弗拉基米爾·格里博夫假設(shè)，中微子在傳播過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生振蕩。中微子振蕩，是指中微子在飛行時(shí)改變“味道”的方式，抑或從一種類型變?yōu)榱硪环N類型。

說(shuō)到這里，或許您會(huì)疑惑，中微子怎么會(huì)有“味道”呢？這里的味道（flavor），又稱風(fēng)味，是美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和德國(guó)物理學(xué)家哈羅德·弗里奇提出的概念。他們?yōu)榱藚^(qū)分粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的12種基本粒子（包括6種夸克和6種輕子），把質(zhì)量小的粒子叫作“輕味”（light flavor），質(zhì)量大的粒子叫作“重味”（heavy flavor）。

從原理上來(lái)講，“振蕩”是量子力學(xué)的結(jié)果，是事物在非常小的尺度上的工作方式。一個(gè)中微子產(chǎn)生的時(shí)候，只有一種“味道”（電子、μ子或τ子中微子），但最終會(huì)演變成其他類型。不同味道出現(xiàn)的概率則取決于它的傳播距離。如果使用冰激凌口味解釋中微子振蕩，可以想象成自己去一家冰激凌店，購(gòu)買(mǎi)了最喜歡的巧克力口味，然后走出去，冰激凌味道就變成了提拉米蘇；再走一分鐘，提拉米蘇又變成了草莓口味；又過(guò)了一分鐘，草莓又變成了牛奶口味——這就是人們通常所說(shuō)的振蕩，可以用中微子移動(dòng)距離對(duì)時(shí)間的函數(shù)表示。然而，蘇聯(lián)科學(xué)家關(guān)于中微子振蕩的假設(shè)因?yàn)楹痛蟛糠挚茖W(xué)家的認(rèn)識(shí)不同，并未得到廣泛關(guān)注。

接下來(lái)，科學(xué)家在研究中微子時(shí)又遇到了新的障礙——“太陽(yáng)中微子問(wèn)題”。物理學(xué)家雷·戴維斯等人設(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)太陽(yáng)中微子的實(shí)驗(yàn)。1968年，他們首次在實(shí)驗(yàn)中得到了探測(cè)結(jié)果，但讓人費(fèi)解的是，只是檢測(cè)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)數(shù)量的三分之一。剛開(kāi)始，科學(xué)家們認(rèn)為可能是戴維斯實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型假設(shè)存在問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期仔細(xì)核對(duì)并未發(fā)現(xiàn)不妥之處。

中微子又一次神秘“失蹤”，那它究竟去哪里了？之前蘇聯(lián)科學(xué)家的假設(shè)此刻發(fā)揮了重要作用。原來(lái)，太陽(yáng)中微子具有多重形態(tài)，在太陽(yáng)中以電子中微子的形式誕生，但在前往地球的途中改變了自身的類型，發(fā)生了中微子振蕩。而這些情況只有在粒子的質(zhì)量不為零時(shí)才會(huì)發(fā)生。這推翻了關(guān)于中微子沒(méi)有質(zhì)量的假設(shè)，表明之前提出的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型可能并不完整，仍然有許多謎團(tuán)亟待進(jìn)一步解開(kāi)。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不懈探索，到目前為止，已經(jīng)確定了3種中微子的類型，即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分別與3種帶電輕子的味道有關(guān)。此外，相關(guān)研究認(rèn)為，理論上可能還存在第4種中微子——無(wú)菌中微子。與其他中微子依靠重力和弱力相互作用相比，第4種中微子只通過(guò)重力相互作用，且自旋特性為右旋，可以解釋一些特殊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但尚未在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們正在努力證實(shí)其存在。

破解隱身遁形之謎

——中微子的探測(cè)

中微子喜歡隱身，又具有較強(qiáng)的穿透性，那如何對(duì)其進(jìn)行探測(cè)呢？中微子是中性的，而且體積很小，因此直接探測(cè)不太可行。不過(guò)，可通過(guò)技術(shù)手段探測(cè)中微子與外界相互作用時(shí)產(chǎn)生的較重帶電粒子。同時(shí)，為了觀測(cè)效果最大化，探測(cè)器的尺寸需要做得足夠大，而且持續(xù)時(shí)間要足夠長(zhǎng)?；谝陨霞夹g(shù)原理，全球科學(xué)家設(shè)計(jì)出了類型多樣的中微子探測(cè)“大科學(xué)裝置”。

位于南極的“冰立方”中微子天文觀測(cè)臺(tái)，是同類探測(cè)器中的第一個(gè)。它就像在地下架設(shè)一個(gè)指向太空的中微子望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)中微子和深冰探測(cè)器內(nèi)的原子相互作用時(shí)，有一定概率產(chǎn)生帶電粒子，帶電粒子穿過(guò)冰層會(huì)發(fā)光，然后得到觀測(cè)結(jié)果?！氨⒎健笨梢詭椭芯咳藛T研究暗物質(zhì)的性質(zhì)和中微子本身的性質(zhì)等，還可以觀測(cè)與地球大氣相互作用的宇宙射線，揭示目前尚未理解的宇宙結(jié)構(gòu)。2023年6月29日，“冰立方”首次探測(cè)到了來(lái)自銀河系的中微子。

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室深層地下中微子實(shí)驗(yàn)裝置（DUNE），建在地表下1600米處，是開(kāi)啟深地下中微子實(shí)驗(yàn)的重要引擎。在DUNE實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們通過(guò)加速質(zhì)子并將它們撞向目標(biāo)，從而產(chǎn)生一束中微子。這束中微子穿過(guò)相距800英里的兩個(gè)探測(cè)器，碰撞到探測(cè)器內(nèi)的氬氣，而后留下能量痕跡。建成之后，DUNE裝置可以尋找質(zhì)子衰變的跡象，并為探索物質(zhì)起源和黑洞形成提供實(shí)驗(yàn)支撐。

日本超級(jí)神岡探測(cè)器，是建在地下1000米的大型中微子探測(cè)器，主要用于探測(cè)質(zhì)子衰變及尋找太陽(yáng)、地球大氣的中微子。探測(cè)器由內(nèi)部空間和外部空間組成，分別裝有32000噸和18000噸純水。內(nèi)部空間被11000個(gè)光電倍增管包圍，這些光電倍增管可以探測(cè)電子被中微子撞擊時(shí)發(fā)出的淡藍(lán)色切倫科夫光。1996年投入觀測(cè)使用后，便有力推動(dòng)了日本的中微子研究，梶田隆章教授借助其驗(yàn)證了中微子振蕩現(xiàn)象、證實(shí)了中微子是有質(zhì)量的，獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中國(guó)處于全球中微子探索的第一方陣。大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)室于2007年開(kāi)始建設(shè)，并于2011年年底投入運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)利用探測(cè)中微子和質(zhì)子的反應(yīng)來(lái)研究中微子，通過(guò)比較遠(yuǎn)近兩個(gè)探測(cè)器測(cè)得的中微子通量和能譜，判斷中微子是否發(fā)生了振蕩，進(jìn)而確定振蕩參數(shù)。2012年3月8日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)成功發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，并測(cè)量到其振蕩概率，因此獲得2015國(guó)際基礎(chǔ)科學(xué)突破獎(jiǎng)和2016年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

此外，位于廣東省的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作也正如火如荼開(kāi)展。裝置包括：位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一個(gè)裝滿2萬(wàn)噸液體閃爍體和光電倍增管的中微子探測(cè)器等。液體閃爍體是探測(cè)中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光，從而被光電倍增管探測(cè)到。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室有望首次測(cè)定中微子質(zhì)量順序，對(duì)三類中微子振蕩參數(shù)的完備性測(cè)量也將達(dá)到前所未有的1%精度。人們期待著，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室為人類擴(kuò)展對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)作出更多的貢獻(xiàn)。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》2023-09-15 第11版）