揭开中微子的神秘面纱

孙文德

去年，中微子具有质量的发现，被我国科学家和美国《科学》周刊评选为1998年度世界重大科技新闻之一。1999年初，中国科学院在《1999科学发展报告》中又将中微子研究称为“新物理的突破口之一”。中微子究竟是什么东西?中微子的研究为什么如此受到科学家们的重视?要回答这些问题，就要从中微子的发现说起。

中微子的发现

中微子的发现，还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起。当时，科学家们发现，在量子世界中，能量的吸引和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放能量而引起的，是符合量子世界的规律的。可奇怪的是，物质在B衰变过程中释放出的B射线由电子组成的能谱却是连续的，而且电子只是带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量却失踪了。

到了1933年，意大利科学家费米提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用——弱相互作用。β衰变就是原子核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。

由于中微子与其他粒子的作用非常微弱，在很长一段时间内科学家们一直未能直接观测到它。50年代中期，美国加利福尼亚大学物理学教授弗雷德里克·莱因斯及其同事在氯化镉溶液中发现了中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪，从而证实了中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。

惊世发现：中微子有质量

在微观世界中，中微子一直是一个无所不在又不可捉摸的过客。中微子产生的途径有很多，如恒星内部的核反应、超新星的爆发、宇宙射线与地球大气层的撞击以及地球上岩石等各种物质的衰变等。由于中微子与物质的相互作用极弱，难以捉摸，以致人们至今对它的认识还很肤浅，就连它有无质量也一直没有搞清楚。

为了研究中微子的性质，各国建造了大量的探测设施，比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。

日本神冈町的地下中微子探测装置，设置在一个地下1公里深处废弃的锌矿坑中。这是一个巨大的水池，装有5万吨水，周围放置了1．3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水池时，由于水中氢原子核的数目极其巨大，两者发生撞击的概率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，供科学家们分析和研究。

1998年6月，日本科学家们宣布：从他们的中微子探测装置掌握的足够实验证据说明中微子具有静止质量。这一发现引起了人们的广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本小镇神冈町，亲眼目睹了整个实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉林指出：“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”

将大放异彩的中微子天文学

中微子具有质量的意义非同一般。虽然单个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中中微子的密度与光子相仿，比其他所有粒子都要多出数十亿倍。所以它的总质量也就非常惊人。中微子有无质量还关系到人类所在的宇宙将如何演变。科学家目前认同的有两种设想：一种情况是宇宙将像现在这样永远膨胀下去，另一种情况是它膨胀到一定程度后将会在自身引力的作用下发生收缩，至于会产生哪一种情况，将取决于宇宙的总质量。如果总质量小于某个临界值，宇宙自身的引力就不够大，前者将会发生；反之则为后者。

对中微子的研究不仅可以告诉我们宇宙整体的质量，而且可以揭示浩瀚的太空深处各种星体的奥秘。这是因为从星球内部发出的光很难穿过庞大的星球，我们现在所观测到的星光、太阳光只是星球、太阳表面发出的光，只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。

1987年2月23日格林尼治时间10点35分，南半球的几个天文台观测到大麦哲伦星云中一颗超新星开始爆发。这消息公布后，几个有大型地下中微子天文台的实验室立刻查阅了数据证录磁带，发现在当天格林尼治时间7点35分左右总共捕获了24个来自超新星的中微子，记录下了十分珍贵的信息。

正是中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应，从而为我们带来了宇宙深处的中微子信息。虽然此次超新星爆发时我们只记录下了24个中微子，但却可以推算出这颗超新星爆发的总能量和爆发后形成的中子星的直径与质量。可以预计，中微子天文学将在21世纪大放异彩。

能穿透地球的中微子通讯

对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义，在我们的日常生活中也有现实意义，其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生的10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减1/1000，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。把中微子流加以调制，就可以使其包含有用信息，将来在地球上任意两点进行通讯联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。我们相信：随着对中微子物理研究的不断深入，将给人类带来巨大的收益。

(责任编辑／钱利群)