中微子，开启通向新物理学的大门

曹俊

尽管每秒有上万亿个中微子穿过人们的身体，但是人们很难发现它的踪影。

宇宙诞生于138亿年前。根据已知的物理规律，在宇宙早期，正反物质应该成对产生，是一样多的。可是我们现在的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象。那么反物质哪里去了？这是宇宙起源必须回答的关键问题。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是我们了解最少的粒子。我们知道，组成物质世界的最基本的粒子共有12种，包括6种夸克和6种轻子。有三种轻子是中微子，分别是电子中微子、缪中微子和陶中微子。它们不构成普通的物质，但无处不在。宇宙诞生的第一秒就产生了无数的中微子并存留至今，在整个宇宙空间中均匀分布，每立方厘米有330个。连每个人也会因体内的钾-40衰变而每天发射约4亿个中微子。

中微子最大的特点就是几乎不与任何物质反应。我们感觉不到它的存在，科学上探测也极为困难。1930年奥地利科学家泡利就预言了中微子的存在，但是过了整整26年，才由美国科学家科万和雷因斯在核反应堆旁探测到中微子。

地球上任何一块指甲大小的地方，每秒钟就有600亿个太阳中微子穿过。但是，要想探测太阳中微子，“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找一粒沙子”。1967年，美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验，探测到了来自太阳的中微子。日本的小柴昌俊退休前几周，他所在的神冈实验碰巧探测到了超新星爆发产生的中微子，这也是迄今为止唯一的一次。小柴昌俊因而与戴维斯分享了2002年诺贝尔物理学奖。

大亚湾中微子实验站安装场景，4个110吨重的中微子探测器浸泡在2000吨纯净水中。研究人员正在向水池中注入纯净水。

很早就有人提出，假如中微子有微小的质量，就可能出现振荡现象。比如反应堆产生电子反中微子，以接近光速飞离反应堆后，开始变成另外两种中微子，在2公里左右达到极大值，然后开始变回原来的中微子，像波一样振荡。这是一种在宏观上表现出来的量子干涉现象。

2003年，我国科学家开始计划利用大亚湾核电站发出的中微子，寻找大气中微子和太阳中微子振荡以外的第三种振荡模式。该振荡大小由参数θ13描述。上世纪九十年代的两个反应堆中微子实验未能发现该振荡，说明θ13很小。而它的大小与宇宙起源中的“反物质消失之谜”相关，也决定未来中微子研究的发展方向，因此具有重要的科学意义。大亚湾的核电站共有6个反应堆，总功率大，释放的中微子多;附近有山，适合建立地下实验室，屏蔽宇宙线本底，因此具有地理优势。加上独特的设计，大亚湾方案吸引了美、俄、捷以及港台的科学家参加，其中美国提供了三分之一的实验经费，是美国能源部在国外投资的第二大科研项目。

经过8年的准备和建设。2012年3月8日，大亚湾中微子实验在激烈的国际竞争中率先发现了这种新的振荡，测到了相关的振荡参数θ13，发现它虽然远小于大气中微子振荡和太阳中微子振荡，但比最初估计的要大得多，这为未来的中微子研究打开了大门。

中微子研究已经4次获得诺贝尔奖，但仍然存在很多谜团。中微子振荡现象间接证明了中微子有质量，但我们至今也没能测量到它的质量大小，也不确定在理论上怎么描述，一般认为中微子可能是粒子物理新理论的突破口。

背景简介：

2012年我国大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡，入选美国《科学》杂志当年十大科学突破，被授予2016年度“科学突破奖”。江门中微子实验瞄准下一个热点前沿——中微子质量顺序问题，预期2020年建成。