楊先碧

我們生活在一個中微子充斥其間的世界。當(dāng)你在閱讀這段文字的時候，已經(jīng)有數(shù)以億計的中微子穿過了你的身體。由于中微子善于穿透任何物質(zhì)，因而被科學(xué)家稱之為難以捕捉的“幽靈粒子”。最近，兩位物理學(xué)家因為在中微子方面的突出貢獻(xiàn)而被授予2015年諾貝爾物理學(xué)獎。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是目前已知宇宙中數(shù)量第二多的粒子，僅次于光子。中微子有一個神奇的特性，那就是可以穿透任何物質(zhì)。盡管中微子神秘莫測，來無影去無蹤，科學(xué)家卻能通過巧妙的方法發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。就算它們“玩失蹤”，科學(xué)家也能知道它們改頭換面成什么樣子了。2015年諾貝爾物理學(xué)獎授予給了日本物理學(xué)家梶田隆章和加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納，他們的貢獻(xiàn)就是找到了“失蹤”的中微子，發(fā)現(xiàn)了它們“變臉”的秘密，并以此證實中微子有質(zhì)量。

大亞灣中微子探測器

無處不在的“幽靈粒子”

對于中微子的存在與否，始終存有爭議。早在1930年，奧地利物理學(xué)家泡利就預(yù)言了中微子的存在，但預(yù)言者自己都將信將疑。直到1956年，美國兩位物理學(xué)家馬丁·佩爾和弗雷德里克·萊因斯才成功地探測到了中微子的存在，宣告了這一“幽靈粒子”的真實存在，該成果在1995年被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

何為“中微子”呢？其實中微子的“中”不是指大小，而是指電中性，即這種粒子是不帶電的;而“微”字倒是說它很小。所以有科學(xué)家建議，為了避免人們誤解中微子的意思，可以稱它為“微中子”。

由于中微子比原子、電子都小得多，其質(zhì)量小于電子的萬分之一，小于原子的千萬分之一，因此，它微小到難以損傷你身體內(nèi)的細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的任何有機(jī)物質(zhì)。所以盡管數(shù)以億計的中微子源源不斷地穿過我們的身體，我們卻不會產(chǎn)生“萬箭穿心”的感覺。

正因為中微子具有很強(qiáng)的穿透性，且很難和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，一度被科學(xué)家稱為捉不住的“幽靈粒子”。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中微子并非完全不和其他物質(zhì)相互作用?？茖W(xué)家通過探測它們相互作用時產(chǎn)生的微弱閃光，就可證實中微子的存在。只不過這種作用的概率十分微小，在100億個中微子中只有1個會與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以探測起來非常困難，諾貝爾獎委員會稱這種探測“相當(dāng)于在整個撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。

解開中微子“失蹤”之謎

1968年，美國物理學(xué)家戴維斯觀測到來自太陽的中微子。然而，他測量到的中微子數(shù)量僅有理論預(yù)測的三分之一。這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。在確認(rèn)實驗和理論計算都無誤之后，科學(xué)家推測，來自太陽的中微子發(fā)生了振蕩現(xiàn)象。也就是說，它們發(fā)生了如同川劇中的“變臉”現(xiàn)象：從一種中微子變成了其他中微子。太陽產(chǎn)生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：“繆中微子”和“陶中微子”。

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難以捕捉的中微子

然而，當(dāng)時對于中微子的“變臉”現(xiàn)象仍然只能停留在猜想階段，直到更加復(fù)雜的大型設(shè)施投入運(yùn)行之后情況才開始有所改觀。在地下深處，巨大的探測設(shè)施晝夜不停地搜尋著中微子的蹤跡。之所以將探測設(shè)施建設(shè)在地下，是想要避開來自宇宙射線以及自然環(huán)境中天然放射性衰變過程的影響。即便如此，要想從數(shù)以十億計的干擾信號中識別出少數(shù)幾個真實的中微子信號，仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。甚至地下礦井中的空氣，以及用來作為探測器的礦物材料中含有的微量元素發(fā)生的衰變過程等都會干擾實驗的結(jié)果。

加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納他們做了大量的實驗。為了觀測到太陽中微子，他們甚至需要鉆到幾千米的地底下。麥克唐納說：“盡管這樣的觀測并不是自己所期望的，但這似乎是能夠找到太陽中微子的最好的方法。”盡管太陽中微子振蕩現(xiàn)象難以捉摸，它還是被麥克唐納用實驗驗證了。

麥克唐納驗證中微子振蕩采用的是重水中微子探測器。這種探測器安裝在一個2000多米深的廢棄鎳礦中，該礦已被加拿大薩德伯里中微子天文臺購買。這種探測器的主要部分是一個直徑12米的球形容器，里面裝有1000噸重水（重水是由氘和氧組成的化合物，分子式D2O，相對分子質(zhì)量20.0275，比水H2O的分子量18.0153高出約11%，因此叫作重水。），容器壁用丙烯酸樹脂制成，容器的周圍安裝了9600個光電倍增管，用于探測微量中微子遇到重水后輻射的光子。2001年，麥克唐納利用重水探測器發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的證據(jù)。

來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中也會產(chǎn)生大量中微子，它們被稱為“大氣中微子”。1988年，日本物理學(xué)家梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，能夠檢測到的中微子比預(yù)期少，一部分中微子似乎也神秘地失蹤了，這被稱為“大氣中微子反常”現(xiàn)象。

2008年，梶田隆章用超級神岡探測器驗證了大氣中微子也會發(fā)生振蕩現(xiàn)象。這個探測器位于日本岐阜縣一個深達(dá)1000米的廢棄砷礦中，其主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，里面裝滿水，容器的內(nèi)壁上安裝有1.12萬個光電倍增管，用于探測微量中微子遇到水后輻射的光子。

那么，中微子振蕩為什么又和中微子的質(zhì)量扯上關(guān)系呢？因為曾經(jīng)的理論預(yù)測認(rèn)為，中微子是沒有質(zhì)量的。按照這個理論，中微子就不可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。假如中微子有質(zhì)量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過程中自發(fā)變成另一種，有時還能變回來，像波一樣振蕩。

加拿大的重水中微子探測器

中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)

中國科學(xué)家在中微子振蕩研究領(lǐng)域也取得了國際矚目的成績。中國科學(xué)院高能物理研究所的科研人員2003年提出設(shè)想，利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子來尋找區(qū)別于麥克唐納和梶田隆章的第三種中微子振蕩，并提出了實驗和探測器設(shè)計的總體方案。2012年，他們終于在大亞灣中微子實驗中發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩概率為9.2%。這一重要成果是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項新的認(rèn)識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性的作用，并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。

大亞灣中微子實驗是中國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國際合作項目，由中國、美國領(lǐng)導(dǎo)，有俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣科學(xué)家共同參與。整個項目建有總長3千米的隧道和3個地下實驗大廳。三個實驗大廳共放置8臺中微子探測器，每臺探測器高5米、直徑5米、重110噸，均置于10米深的水池中。2015年11月8日，“科學(xué)突破獎”頒獎儀式在美國加州圣何塞舉行。王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗團(tuán)隊獲得“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎”，這也是中國科學(xué)家首次獲得該獎項。

在美國《科學(xué)》雜志公布的2012年度十大科學(xué)突破中，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)第三種中微子振蕩模式的成果上榜?！犊茖W(xué)》雜志對此的評價是：“如果物理學(xué)家無法發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會代表粒子物理學(xué)的未來。大亞灣實驗的結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時刻?！?/p>

中微子振蕩有啥用

研究中微子振蕩究竟有啥用？當(dāng)科學(xué)家不知道中微子存在質(zhì)量的時候，很難將它們放入理論模型中去研究，并得出關(guān)于物理學(xué)的基本結(jié)論。所以這個發(fā)現(xiàn)不僅改善了物理學(xué)理論標(biāo)準(zhǔn)模型，也讓我們有渠道去了解更多的關(guān)于宇宙進(jìn)化的過程。

梶田隆章表示：自己所從事的這項研究，不是那種馬上會有什么用處的研究。這項研究成果屬于滿足人們好奇心的研究，為解釋宇宙起源和演化之謎能提供一定的線索。歷史上很多意義重大的科學(xué)發(fā)明都起源于人們的好奇心，每個科學(xué)發(fā)現(xiàn)或許起初缺乏實際用途，但從長遠(yuǎn)來看都會對現(xiàn)實生活發(fā)生重大影響。

麥克唐納則認(rèn)為：“幽靈粒子中微子研究將有助解釋宇宙的演變進(jìn)程。中微子是我們不知如何進(jìn)一步細(xì)分的基本粒子之一，探索它們有助于我們了解宇宙的演變進(jìn)程，而證明它們具有質(zhì)量將會幫助我們揭開那些宇宙奧秘?！?/p>

有關(guān)中微子的研究還有利于揭示太陽能量之謎?？茖W(xué)家認(rèn)為，太陽的能量來自核心區(qū)的核聚變;核心區(qū)產(chǎn)生的熱能要經(jīng)過10萬年，才能傳遞到太陽表面，變成我們能感知的光和熱。要驗證這個理論機(jī)制，似乎是一件無法完成的任務(wù)，因為人類的探測器連地心都不可能抵達(dá)，更不用說太陽核心了。然而，中微子可以輕松地從太陽核心穿過，通過探測來自太陽的中微子，就可以想辦法揭示太陽核聚變之謎，有利于將來更好地在地球上實現(xiàn)人工核聚變。

宇宙射線穿越大氣時會產(chǎn)生大量中微子

諾貝爾獎評選委員會在聲明中稱：梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的研究成果促成了人們對“粒子世界的一次認(rèn)識蛻變”。兩人的發(fā)現(xiàn)同時改變了人類對物質(zhì)內(nèi)層運(yùn)作的看法，并將驗證我們對于宇宙的理解。目前，全世界圍繞中微子展開的種種實驗與研究才得以繼續(xù)熱烈地進(jìn)行下去。逐漸涌現(xiàn)的成果讓我們相信，中微子即將帶來的發(fā)現(xiàn)，將改變?nèi)祟悓τ跉v史、科學(xué)乃至整個宇宙未來命運(yùn)的認(rèn)識。

2015年諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)吆喗?/p>

阿瑟·麥克唐納，生于1943年，加拿大物理學(xué)家。1964年在加拿大達(dá)爾豪西大學(xué)獲物理學(xué)士，1965年獲碩士學(xué)位，并在美國加州理工學(xué)院獲物理學(xué)博士學(xué)位。1970-1982年任加拿大渥太華的喬克·里弗核實驗室研究員。1982-1989年在美國普林斯頓大學(xué)任物理學(xué)教授，后加入加拿大女王大學(xué)，目前是女王大學(xué)大學(xué)研究主席。

梶田隆章，生于1959年，日本物理學(xué)家、天文學(xué)家。在日本埼玉大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士，在東京大學(xué)獲得理學(xué)博士。歷任東京大學(xué)宇宙線研究所助手（1988年）、副教授（1992年）、教授（1999年）?，F(xiàn)任東京大學(xué)宇宙線研究所所長，同時兼任該所附屬的宇宙中微子觀測信息融合中心負(fù)責(zé)人。