中微子趣史

○汤双

一

中微子是一种不带电、质量近于零的基本粒子，属于基本粒子大家庭中的轻子一族（轻子包括电子、µ子、τ子、它们的反粒子及与之相伴的六种中微子）。中微子自打一出现就充满了戏剧性，其魅力经八十余年而不衰。在近代物理学中，可以说它是故事最多的基本粒子。

泡利（Wol fgang Paul i，1900-1958,获1945年诺贝尔物理奖）被尊为中微子之父。此人在物理界是出了名的坏脾气，经常先入为主，总以否定别人为己任，讲起话来很不客气，常常让人下不来台。物理圈里流传着不少有关泡利“恶行”的故事。一个挺典型的实例发生在1954年，那年杨振宁和米尔斯提出了在近代物理理论中具有举足轻重地位的杨-米尔斯规范场理论。由于该理论当时还有一个关键的问题没有解决——具有规范不变性的矢量玻色子，其质量只能为零，绝大多数人都以为它没有多少物理意义。同年二月，杨振宁在普林斯顿高等研究所就杨-米尔斯理论作报告，还没讲两句，泡利就明知故问：“矢量玻色子的质量是什么？”杨振宁知道这个问题是个陷阱，无论怎样回答都会引起进一步的麻烦，于是选择了最低调的应对，答曰：“我不知道。”换作任何其他人，大概就到此为止了。泡利却不肯罢休，说：“这不足以作为挡箭牌。”场面立时变得十分尴尬。杨振宁觉得报告无法继续进行，干脆坐了下来。最后还是原子弹之父、时任高等研究所所长的奥本海默（J.R.Oppenheimer，1904-1967）站出来打圆场，杨振宁才得以将报告作完。泡利为人处世的风格由此可见一斑。不过他的物理直觉极佳，虽然有点怀疑一切，在大多数时候事实却往往最终证明他是对的。

1930年，核物理领域发生过一次严重的危机。在β衰变（原子核里的中子释放出一个电子而变成带正电的质子）的过程中，似乎有一部分能量莫名其妙地“消失”了。当时甚至连量子理论创始人波尔（Niels Bohr，1885-1962，获 1922年诺贝尔物理奖）都认为在β衰变中能量可能不守恒（为此他被泡利不客气地称为驴子）。然而，泡利却坚信能量守恒原理是放之四海而皆准的普遍真理，所谓能量“消失”不过是因为β衰变中还存在一个无法探测到的第三者。在1930年12月4日给莉泽·迈特纳（Lise Meitner，1878-1968）的信中，他第一次明确指出了中微子的存在——中微子从此在理论上诞生了。泡利在预言中微子存在的同时，也认识到中微子与其它物质之间的相互作用是极其微弱的。他甚至不排除永远无法探测到中微子的可能性。这不光是泡利一人的看法，很多大物理学家，例如贝特（Hans Bethe，1906-2005，获1967诺贝尔物理奖）

等人，经过估算后都相信“中微子显然无法被看到”。所以中微子那时亦被称为“鬼粒子”。

散射截面是衡量两个粒子间发生相互作用难易程度的物理量，散射截面越大，发生相互作用的可能性就越大。这有点像打靶，靶越大，一枪命中的机会就越高。中微子与其它粒子的散射截面几近于零，因而要想探测某个中微子（也就是观测到它与其它粒子间发生相互作用）是千难万难。不过，我们可以换个角度来看问题：尽管想一枪命中一个极小的靶很难成功，但如果用机关枪连续打出成千上万发子弹，则打中的可能性将大大提高。中微子与其它粒子的散射截面虽小，但毕竟不是零。如果能在短时间内产生出极大量的中微子去轰击别的粒子，还是有希望从实验上证实中微子的存在的。这种强大的中微子源是直到第一颗原子弹爆炸成功后才成为现实的。

二

原本是测试核武器专家的莱因斯(Frederick Reines,1918-1998)，也许是干腻了，1951年他提出申请，转行去搞与物理理论相关的课题。有一次因为飞机延误，他在堪萨斯机场候机时遇见了科温(Clyde Cowan,1919-1974)，两人半开玩笑地聊起来。由于核爆炸时会产生大量中微子，如果在离核爆中心很近的地方挖一口井，让一个探测器在爆炸开始的瞬间自井口下落，有可能通过费米（Enrico Fermi,1901-1954,获1938年诺贝尔物理奖）在1933年设想的反β衰变（质子在吸收一个中微子之后，释放出一个正电子而变为中子）而观测到中微子。他们一拍即合，很快成为合作伙伴。不过，他们真正设计的实验是利用核子反应堆而不是在核爆炸现场。

1953年，莱因斯和科温开始在一座功率较小的反应堆上进行实验，未能得到令人满意的结果。但他们并没有放弃，1955年又将实验搬到萨凡纳河国家实验室的大功率反应堆。这一回结果极佳，每小时可以观察到两个中微子。在进行了反复实验及核查后，他们最终确信中微子真的被观测到了，并在1956年6月14日公布了实验结果。莱因斯和科温在第一时间给泡利发去了电报,“我们非常高兴地告诉你，我们终于观测到了中微子……测到的散射截面与理论一致。”泡利的回电虽只有干巴巴的两句“谢谢来电。懂得等待的人，终会得到想要的东西”，可他和朋友们喝了整整一箱香槟酒来庆祝。莱因斯因发现中微子而获得1995年诺贝尔物理奖，科温却由于早逝而未能分享此一殊荣，成为一大憾事。

莱因斯和科温的实验开启了进一步研究中微子特性的大门。大量的实验揭示出中微子的另一怪异特点——具有与众不同的手征性。手征性可以用陀螺作为一个简单的例子来粗略说明：陀螺一头尖一头平，以尖的一端作为参照，就可以定义旋转的陀螺的转动方向（即手征性）——顺时针或逆时针。基本粒子也具有手征性。不过，在粒子物理中不说顺时针与逆时针，而说左旋与右旋。对大多数粒子来说，左旋与右旋是对称的，即如果存在具有左旋的某种粒子，就一定也存在具有右旋的同种粒子。假如一个具有左旋的粒子去照镜子，镜子里看到的就是一个具有右旋的同种粒子。在粒子的相互作用中，如果以左旋粒子取代同种的右旋粒子而结果不变，这种相互作用就具有手征对称性。然而令人费解的是，实验中观测到的中微子都是左旋的（反中微子则都是右旋的），世上似乎根本不存在右旋中微子。没有右旋中微子的一个直接结果是，如果能让一个中微子去照镜子，镜子里就将什么都没有！有人怀疑中微子的这种不对称性也许与宇宙的形成有关，可能是揭开宇宙中物质与反物质高度不对称之谜的关键。

三

莱因斯

首次探测到中微子靠的是核子反应堆。其实太阳就是一个超大型的反应堆，它所发出的光和热是产生于发生在其核心的热核反应。由于需要穿过厚厚的等离子体，在核心产生的能量要经过上百万年才能到达太阳表面。也就是说，我们现在沐浴的阳光是产生于百万年之前的。但是，热核反应中产生的大量中微子却可以几乎不受阻滞地直达表面、飞离太阳。这就意味着，通过研究目前收到的太阳中微子，人们可以了解一些百万年后太阳能的状况。上世纪60年代末，巴赫恰勒（John Bachal l，1934-2005）借助基本的核物理和天体物理知识，从理论上计算了来自太阳的中微子流量。为了核实他的计算结果，巴赫恰勒建议他的朋友、实验物理学家戴维斯（Raymond Davis，1912-2006）进行一项测量太阳中微子的实验。为了排除其它外界因素的干扰，戴维斯将实验室设在美国南达科他州的一个一千多米深的废弃矿井里。根据巴赫恰勒的计算，戴维斯应该每星期观测到大约10个太阳中微子，然而实际观测到的仅3个左右（这项实验后来为戴维斯赢得了2002年的诺贝尔物理奖）。不少核物理学家用不同的模型对太阳的中微子流量进行了反复的计算，得出的结果都与巴赫恰勒的结果一致。然而戴维斯的实验也无懈可击，他有一条非常过硬的论据：如果是外界的其它来源造成了“污染”，观测到的中微子数目只会比理论上的更多而不是更少。理论与实验的巨大差异不但在物理界引起轩然大波，就连大众媒体也掺和进来了，诸如“太阳病了”之类的文章随处可见。

其实，解开这个谜团的钥匙在几年前就已经被庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo，1913-1993）打造好了，只不过在当时没有引起多少人的重视。庞蒂科夫是出生在意大利的犹太人，曾在费米领导的著名研究小组中工作过，一直从事核物理方面的研究。二战时为了躲避纳粹的迫害，流亡到美国，后来去了英国并参与过英国的原子弹计划。可他又是苏联克格勃的间谍，1950年叛逃去了苏联。在20世纪60年代初，物理学家们就已经知道中微子不止一种。通常说的中微子是指与电子相关联的电子中微子，此外还有与另两种轻子µ子和τ子相关联的µ中微子和τ中微子。这三种中微子在物理上可以用具有不同的“味”来加以区分。庞蒂科夫在1967年提出了一个大胆的设想：如果中微子的静止质量不为零，中微子就可能“变味”，即电子中微子可以自动变成µ中微子、µ中微子可以自动变成τ中微子、τ中微子又能自动变成电子中微子，循环往复——这就是著名的中微子震荡。然而物理界普遍相信中微子是以光速运动的，根据相对论，以光速运动的粒子其静止质量只能为零。这也是为什么庞蒂科夫的理论无人问津的根本原因。

有意思的是，庞蒂科夫的理论却为太阳中微子的难题提供了一种非常自然的解释：太阳的核反应中产生的中微子虽然只有电子中微子（为此戴维斯设计的实验只探测电子中微子），但如果它们在飞往地球的旅程中不断重复电子中微子µ中微子τ中微子电子中微子的循环，那么实际到达戴维斯的探测器时，就是三种中微子，而不是单一的电子中微子。因而测到的电子中微子数量当然就只有出发时的三分之一了。由此看来，巴赫恰勒的计算和戴维斯的实验都没有错。为了证实来自太阳的中微子真的是三种“味”的混合体，1999年在加拿大萨德伯里一个三千多米深的矿井里安排了可以同时探测三种“味”的中微子的精密实验，此次实验测到的中微子总流量与理论计算值完全吻合，从而给“太阳中微子丢失”之谜画下了一个完美的句号。庞蒂科夫若不是具有上面所说的那种复杂背景，他应该有可能因提出中微子震荡理论而获得诺贝尔奖。

四

自20世纪70年代以来，为了研究中微子震荡，科研人员进行了大量的科学实验。其中最典型的是一系列测量不同“味”的中微子之间振荡几率（用来决定一种中微子转换成另一种中微子之可能性的大小）的实验。振荡几率一共有三种，其中两种的数值已经被准确测定，分别为0.861和0.97。还剩一种，由于其数值比较小，因而难以测定。确定第三种振荡几率正是目前中微子实验的热点。

OPERA大概可以算是目前规模最大的中微子实验。它运用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织（CERN）超级质子同步加速器产生的高强度、高能量的µ中微子束向730公里之外、位于意大利中部的格兰沙索国家实验室传送，其目的是观测µ中微子与τ中微子间的振荡现象。2010年5月31日，OPERA公布了从µ中微子束中探测到的τ中微子现象，为中微子振荡提供了相当过硬的证据。一年多之后，OPERA又在物理界投下了一颗新的巨型震撼弹。在一篇由174名科研人员署名的论文里，他们宣称实验中所测到的中微子速度比真空中的光速还快了6米/秒。这自然立即成了科学界的头号新闻，因为此一结果如若真的属实，则将动摇作为近代物理学两大基石之一的相对论，整个物理学就可能发生翻天覆地的变化。尽管绝大多数物理学家都对这项实验结果持怀疑态度，有些理论物理学家却已经开始筹谋为相对论寻找出路了。他们希望在现有的相对论框架下（即仍然保持真空中光速不可超越），为OPERA的这项实验提供一项合理的理论解释。比如有人提出，按照流行的宇宙学理论，在构成宇宙的全部物质中，暗能量占73%，暗物质占23%，真正能“看到”的物质仅占4%。假设暗物质真的无所不在，如果它与光子间有哪怕极微弱的一点相互作用（这是一个很强的假设，因为到目前为止还没有什么证据显示暗物质能与任何其它物质发生相互作用），那么我们所测量到的光速或中微子的速度就不是真空中的速度，而是它们在介质（暗物质）中的速度。在介质中出现超光速现象是不足为奇的，也不会动摇相对论的理论基础。正当这些理论物理学家们摩拳擦掌准备抢占新的理论制高点时，2012年2月，突然又从圈内传出让人瞠目结舌的消息：OPERA公布的实验结果也许是个超级大乌龙！测到的中微子超光速数据可能只是由于电脑光纤的接头松动而导致的误读。科学实验就是这样，有时候会让人空欢喜一场。

尽管OPERA闹了一个大笑话，中微子震荡依然是物理界的热门话题。不久之前，从我国大亚湾核电站传出一个振奋人心的消息，由250名来自六个国家的科研人员组成的大亚湾中微子实验国际合作组获得了中微子第三种振荡几率的可靠数据。在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了六个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、标度、修正和数据分析。结果表明，中微子第三种振荡几率为0.092、误差0.017，从而首次证实了这种新的中微子振荡模式的存在（在此之前，日本、美国和法国的实验室也曾测量过这一振荡几率，但由于误差较大，无法给出决定性的结论）。不少权威人士认为，如果最终证实实验结果准确无误，它有可能成为首个在中国国内完成的获得诺贝尔物理奖提名的科研成果。

五

从泡利预言中微子的存在到今天，八十多年已经过去了。人们对中微子的认识与那时已不可同日而语，然而仍然有一些根本性的问题有待从理论上和实验上加以解决和证实。目前有两种比较完备的中微子理论：一个由狄拉克（Paul Dirac，1902-1984，获 1933年诺贝尔物理奖）提出，另一个来自物理奇才马约拉纳（Ettore Majorana，1906-1938），二者都可以对现存的所有实验给出完美的解释。如果中微子的静止质量为零，则这两个理论永远分不出优劣。然而一系列有关中微子震荡的实验，基本肯定了中微子是有质量的，因而对这两个理论的最终判定也许已为期不远了。八十多年来，中微子不时给物理界制造些“麻烦”，有时也带来些意外的惊喜。我们对它的认识也在不断深入。今天已经有人开始从技术层面上考虑如何利用中微子的特性来造福人类，比如中微子可以穿透几乎任何物体，如果能对它的发射和接收有效掌控，它可能成为长程通讯的理想载体。总之，中微子的故事仍在继续，而且还会持续很久。