中微子是个“什么鬼”？

2015-09-10蝌蚪君

知识就是力量 2015年12期

蝌蚪君

由俄罗斯富翁尤里·米尔纳领衔资助的“科学突破奖”于2015年11月9日揭晓。中国科学院高能物理研究所王贻芳研究员及其领导的大亚湾中微子实验团队获得“基础物理学突破奖”。这是中国科学家和以中国科学家为主的实验团队首次获得该奖项，科学突破奖的获得让国人倍增自豪感。

那么中微子从何处来？我国大亚湾中微子实验取得什么重要成果？中微子在未来又会被应用到哪些方面呢？

中微子从何处来？

早在1930年奥地利物理学家泡利（Wolfgang Pauli）就提出了中微子存在的设想：“从β衰变能量守恒的角度看，可能存在一种神秘的粒子。” 但是在很长一段时间内，中微子的存在一直没有得到确认。直到1956年美国物理学家莱因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Cowan）才首次在实验上确认中微子的存在。

中微子几乎不与任何物质发生作用

事实上我们生活在中微子的世界中，每一秒都有数以万亿中微子穿过我们的身体。我们无法看到和感受到中微子，但不等于中微子就不存在。它之所以这么“神秘”，是因为它几乎不与其他物质发生相互作用。那么，就有人产生好奇：中微子从何而来？其实中微子在宇宙大爆炸初期就已经存在。此外，自然界还存在各种自然和人工的中微子源，从恒星燃烧、超新星爆发、宇宙线穿过大气层到核反应堆、加速器、天然放射性衰变等，都是中微子的可能来源。我们的身体内每秒钟平均有5000个来自钾同位素衰变释放的中微子。而到达地球的中微子中，多数是来自太阳核聚变反应产生的太阳中微子。同样，宇宙大爆炸产生中微子数目最多，仅次于宇宙中的微波背景光子。

现在，科学家们已经可以“看到”许多中微子，它们有的来自亚原子世界，有的来自浩瀚的宇宙空间。过去几十年，从太阳中微子到大气中微子，从核反应堆中微子到加速器中微子，都没有逃脱科学家们“敏锐的眼睛”。

中微子探测器为什么一般会选择建造在地下或海底深处？

中微子探测器一般会选择建造在地下或海底深处，是为了屏蔽来自太空的各种射线和其他背景辐射对探测器的影响，比如正在建设的中国江门中微子实验的中微子探测器，将被埋藏在深达700米的地下洞室里，并且被一个巨大的水池所包围。

我国大亚湾中微子实验

取得了什么重要成果

1968年，美国科学家戴维斯首次观测到太阳中微子，并且发现大约 2/3的太阳中微子不见了，那么这些中微子哪儿去了？刚开始时，有些人认为这可能是实验观测或者理论模型错误。但也有科学家认为，中微子可能在传播途中发生了振荡现象。

根据粒子物理学的标准模型，中微子可分为三种，分别是电子中微子、缪子中微子与陶子中微子。中微子在“飞行”过程中从一种类型转变成另一种类型的行为被称为“中微子振荡”。1998年日本的超级神冈探测器首次观测到大气中微子的振荡现象，2001-2002年，加拿大的萨德伯里中微子天文台直接观测到太阳中微子从一种类型转变到另一种类型的现象。从而在实验上确认中微子振荡的存在。2012年3 月，由中国科学家主持的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子的第三种振荡模式，被国际粒子物理界评价为“开启了未来中微子物理研究的大门”。大亚湾反应堆中微子实验精确测量到中微子的第三个混合角θ13的数值。根据量子力学，三种不同类型的中微子振荡现象，说明中微子是有质量的。中微子第三个混合角θ13作为粒子物理学的基本参数，不仅本身意义非凡，而且其数值的大小对进一步研究宇宙正反物质不对称、反物质消失之谜等问题意义重大。

大亚湾中微子探测器

中微子：个头小用处大

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。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，如果用高能加速器产生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。人们假如将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通信联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站，这便是中微子通信技术。中微子通信如果能够实现，将在未来信息化疆场上有着极高的军事应用价值，尤其在水下对潜通信及对空、对天通信中有着无可比拟的优势。