中微子来自太空的神秘信使

李振举　赵辉

茫茫宇宙中，存在许多神秘的粒子，共同构成了整个世界。中微子就是其中之一。

如果你伸出拇指并眨一下眼睛，在这短短的一瞬间，就有将近百亿个中微子穿过你的拇指。虽然有这么多的中微子和我们密切接触，但这些粒子却很神秘，不愿意透露自己的踪迹。在一个人的漫长一生中，可能只有一两个中微子会停下来，与身体内部的原子核和电子发生相互作用。人们很难感受到中微子的存在，甚至科学家观测中微子的难度也很高。

但是，这种看似微不足道的粒子，却令无数科学家魂牵梦萦。中微子研究为理解物理学基本问题提供了一把“金钥匙”。科学家们对破解中微子之谜的迫切，促使中微子成了国际粒子物理研究的热点之一。

破解能量消失之谜——中微子的发现

19世纪后期，研究人员在研究β衰变时，观测到一种奇怪的现象。根据能量守恒和动量守恒定律，中子衰变成一个质子和一个电子，电子的能量应该是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子能量比预测的能量要小，这意味着有一部分能量居然凭空消失了。

为了解释这种现象，1930年，著名物理学家沃尔夫冈·泡利提出了一个假说：中子衰变后，除了质子和电子，还产生了第3个粒子。这个粒子也会从原子核中飞出，正好携带消失的能量和动量。这个粒子是一种不带电荷、没有或质量很小的新型粒子，自旋为1/2，可以确保β衰变中的能量守恒和角动量守恒。

1934年，核反应堆之父恩里科·费米将这种新型粒子命名为“中微子”。他还指出了中微子的关键特性：不带电荷，体积非常小。自此，中微子正式拥有了名号。

虽然理论物理学家很早就预测了中微子的存在，但实验物理学家用了整整26年的时间才找到它的存在迹象。1956年，物理学家弗雷德里克·莱恩斯和克莱德·考恩带领研究团队，通过探测核反应堆产生的电子反中微子，观察到了中微子存在的证据，这一年也被学界定义为“中微子元年”。他们使用萨凡纳河核电站核反应堆产生中微子，用一个10吨重的探测器，历经5个月终于捕捉到了中微子。他们随即给沃尔夫冈·泡利发送了一封电报，分享了这一重要成果：“很高兴地通知你，我们已经确定探测到中微子。”

中微子的发现，为科学家们进一步认识和理解微观世界提供了“巨人的肩膀”。

破解味道改變之谜——中微子的振荡

1957年，苏联科学家布鲁诺·庞蒂科夫和弗拉基米尔·格里博夫假设，中微子在传播过程中可能会发生振荡。中微子振荡，是指中微子在飞行时改变“味道”的方式，抑或从一种类型变为另一种类型。

说到这里，或许您会疑惑，中微子怎么会有“味道”呢？这里的味道（flavor），又称风味，是美国物理学家默里·盖尔曼和德国物理学家哈罗德·弗里奇提出的概念。他们为了区分粒子物理学标准模型中的12种基本粒子（包括6种夸克和6种轻子），把质量小的粒子叫作“轻味”（light flavor），质量大的粒子叫作“重味”（heavy flavor）。

从原理上来讲，“振荡”是量子力学的结果，是事物在非常小的尺度上的工作方式。一个中微子产生的时候，只有一种“味道”（电子、μ子或τ子中微子），但最终会演变成其他类型。以不同味道出现的概率则取决于它的传播距离。如果使用冰激凌口味解释中微子振荡，可以想象成自己去一家冰激凌店，购买了最喜欢的巧克力口味，然后走出去，冰激凌味道就变成了提拉米苏；再走一分钟，提拉米苏又变成了草莓口味；又过了一分钟，草莓又变成了牛奶口味——这就是人们通常所说的振荡，可以用中微子移动距离对时间的函数表示。然而，苏联科学家关于中微子振荡的假设因为和大部分科学家的认识不同，并未得到广泛关注。

接下来，科学家在研究中微子时又遇到了新的障碍——“太阳中微子问题”。物理学家雷·戴维斯等人设计了一个探测太阳中微子的实验。1968年首次在实验中得到了探测结果，但让人费解的是，只是检测到了预期实验数量的三分之一。刚开始，科学家们认为可能是戴维斯实验和标准太阳模型假设存在问题，但经过长期仔细核对并未发现不妥之处。

中微子又一次神秘“失踪”，那它究竟去哪里了？之前苏联科学家的假设此刻发挥了重要作用。原来，太阳中微子具有多重形态，在太阳中以电子中微子的形式诞生，但在前往地球的途中改变了自身的类型，发生了中微子振荡。而这些情况只有在粒子的质量不为零时才会发生。这推翻了关于中微子没有质量的假设，表明之前提出的粒子物理学标准模型可能并不完整，仍然有许多谜团亟待进一步解开。

经过科学家的不懈探索，到目前为止，已经确定了3种中微子的类型，即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分别与3种带电轻子的味道有关。此外，相关研究认为，理论上可能还存在第4种中微子——无菌中微子。与其他中微子依靠重力和弱力相互作用相比，第4种中微子只通过重力相互作用，且自旋特性为右旋，可以解释一些特殊的实验结果，但尚未在实验中被发现，科学家们正在努力证实其存在。

中微子喜欢隐身，又具有较强的穿透性，那如何对其进行探测呢？中微子是中性的，而且体积很小，因此直接探测不太可行。不过，可通过技术手段探测中微子与外界相互作用时产生的较重带电粒子。

破解隐身遁形之谜——中微子的探测

中微子喜欢隐身，又具有较强的穿透性，那如何对其进行探测呢？中微子是中性的，而且体积很小，因此直接探测不太可行。不过，可通过技术手段探测中微子与外界相互作用时产生的较重带电粒子。同时，为了观测效果最大化，探测器的尺寸需要做得足够大，而且持续时间要足够长。基于以上技术原理，全球科学家设计出了类型多样的中微子探测“大科学装置”。

位于南极的“冰立方”中微子天文观测台，是同类探测器中的第一个。它就像在地下架设一个指向太空的中微子望遠镜。当中微子和深冰探测器内的原子相互作用时，有一定概率产生带电粒子，带电粒子穿过冰层会发光，然后得到观测结果。“冰立方”可以帮助研究人员研究暗物质的性质和中微子本身的性质等，还可以观测与地球大气相互作用的宇宙射线，揭示目前尚未理解的宇宙结构。今年6月29日，“冰立方”首次探测到了来自银河系的中微子。

美国费米实验室DUNE（深层地下中微子实验）装置，建在地表下1英里处，是开启深地下中微子实验的重要引擎。在DUNE实验中，科学家们通过加速质子并将它们撞向目标，从而产生一束中微子。这束中微子穿过相距800英里的两个探测器，碰撞到探测器内的氩气，而后留下能量痕迹。建成之后，DUNE装置可以寻找质子衰变的迹象，并为探索物质起源和黑洞形成提供实验支撑。

日本超级神冈探测器，是建在地下1000米的大型中微子探测器，主要用于探测质子衰变以及寻找太阳、地球大气的中微子。该探测器由内部空间和外部空间组成，分别装有32000吨和18000吨纯水。内部空间被11000个光电倍增管包围，这些光电倍增管可以探测电子被中微子撞击时发出的淡蓝色切伦科夫光。1996年投入观测使用后，便有力推动了日本的中微子研究，梶田隆章教授借助其验证了中微子振荡现象、证实了中微子是有质量的，获得了2015年诺贝尔物理学奖。

中国处于全球中微子探索的第一方阵。2007年开始建设大亚湾反应堆中微子实验，并于2011年底投入运行。该实验利用探测中微子和质子的反应来研究中微子，通过比较远近两个探测器测得的中微子通量和能谱，判断中微子是否发生了振荡，进而确定振荡参数。2012年3月8日，大亚湾中微子实验成功发现了中微子的第三种振荡模式，并测量到其振荡概率，因此获得2015国际基础科学突破奖和2016年国家自然科学奖一等奖。

此外，位于广东省的江门中微子实验室的建设工作也正如火如荼开展。该装置包括位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器等。液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光电倍增管探测到。江门中微子实验室有望首次测定中微子质量顺序，对三类中微子振荡参数的完备性测量也将达到前所未有的1%精度。人们期待着，江门中微子实验室将为人类扩展对宇宙的认识作出更多的贡献。

◎ 来源|解放军报