幽靈般中微子的認(rèn)識(shí)之路

基本粒子

在人類兩千多年的科學(xué)史中，對(duì)基本粒子的想象和研究一直推動(dòng)著人類文明的進(jìn)步。

看到水的蒸發(fā)、木頭的損耗、空氣的流動(dòng)這些自然現(xiàn)象，古希臘哲學(xué)家德謨克利特（Democritus, 460 – 370 BC）想象萬物皆由原子組成。兩千多年后，這一思想種子終于在19世紀(jì)得到了大量科學(xué)驗(yàn)證，從19世紀(jì)初道爾頓（John Dalton, 1766 - 1844）發(fā)現(xiàn)原子可以完美地解釋化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)量的整數(shù)比例，到20世紀(jì)初愛因斯坦（Albert Einstein, 1879 - 1955）將花粉在水中的布朗運(yùn)動(dòng)解釋為水原子（分子）對(duì)花粉的碰撞，經(jīng)過一百多年的激烈爭(zhēng)論，原子學(xué)說終于被大部分科學(xué)家接受。從元素周期表中各種元素的發(fā)現(xiàn)，到石油、鋼鐵、塑料等各種先進(jìn)工業(yè)和現(xiàn)代化學(xué)，無不建立在原子學(xué)說之上。

20世紀(jì)，人們對(duì)于基本粒子的認(rèn)識(shí)終于突破了原子的尺度，發(fā)現(xiàn)原子是由原子核和電子組成的。對(duì)電子在原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的研究催生了量子力學(xué)，成為半導(dǎo)體、激光、超導(dǎo)等現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。對(duì)原子核的研究則開啟了人類的能源革命，核能的效率比幾十萬年來人類使用的化學(xué)能源高百萬倍以上。

圖1. 計(jì)算機(jī)芯片，是人類對(duì)原子科學(xué)研究之花長出來的果實(shí)。圖片來自維基百科。

現(xiàn)在，在基本粒子的研究領(lǐng)域，我們可能正面臨著一個(gè)嶄新的時(shí)代，其中的主角之一，就是被稱為幽靈粒子的中微子。

中微子——神秘世界的門

上世紀(jì)30年代，人們似乎得到了一個(gè)對(duì)基本粒子的“完美”的認(rèn)識(shí)：質(zhì)子和中子組成原子核，由原子核和電子組成的原子則構(gòu)成了整個(gè)宇宙。然而，很快，人們就發(fā)現(xiàn)宇宙比我們想象的更加神秘，這個(gè)神秘新大陸的信使之一是一個(gè)如幽靈般的粒子。

自然界有三種衰變，分別稱為α、β、γ衰變。其中α和γ是兩體衰變，能量都是單一的。讓人們驚奇的是，β衰變和它們不同，能量居然是連續(xù)的，這說明β衰變絕對(duì)不是兩體衰變，至少是三體衰變。然而，β衰變的產(chǎn)物只有原子核和電子被探測(cè)到，為什么第三個(gè)粒子不見了呢？

為了解釋這個(gè)疑難，奧地利物理學(xué)家泡利（Wolfgang Ernst Pauli, 1900 - 1958）假設(shè)了一個(gè)新粒子的存在：這個(gè)粒子沒有電荷且質(zhì)量很輕（因此叫中微子），與其它粒子的反應(yīng)非常弱，它在β衰變中產(chǎn)生之后就逃離了現(xiàn)場(chǎng)，沒有被儀器探測(cè)到。一個(gè)中微子可以輕易地穿過整個(gè)地球而不與物質(zhì)反應(yīng)，因此難以證明它是否存在，泡利后來甚至責(zé)怪自己設(shè)想了一個(gè)無法被驗(yàn)證的粒子。

捕捉這個(gè)“幽靈”的英雄最終還是出現(xiàn)了。雖然一個(gè)中微子和一個(gè)原子反應(yīng)的概率極低，但是如果有大量的中微子穿過大量的原子，還是會(huì)有一定數(shù)量的反應(yīng)，從而可以被實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。核電站就是一個(gè)可以產(chǎn)生大量中微子的源，因?yàn)楹巳剂狭炎冃纬傻牟环€(wěn)定原子核會(huì)發(fā)生大量β衰變。

美國物理學(xué)家萊茵斯（Frederick Reines, 1918 - 1998）和考恩（Clyde Cowan,1919 - 1974）在1956年完成的實(shí)驗(yàn)是人類歷史上第一次探測(cè)到中微子，他們將兩個(gè)水箱放在核電站附近，水中的質(zhì)子能與中微子反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)中子，這個(gè)正電子很快會(huì)同一個(gè)電子湮滅從而放出兩個(gè)γ射線，過了一段時(shí)間之后這個(gè)中子會(huì)被溶在水中的鎘吸收進(jìn)而再放出γ射線，這一前一后兩次γ射線的信號(hào)就成為了中微子的“身份證”。

經(jīng)過幾個(gè)月的數(shù)據(jù)收集，他們終于得到足夠數(shù)量的證據(jù)，在1956年6月14日，他們給泡利發(fā)了一封電報(bào)：“我們很高興地通知您，我們確定無疑地探測(cè)到了中微子。”泡利無疑很高興，經(jīng)過二十多年的等待之后，終于看到當(dāng)年那個(gè)大膽的假設(shè)得到驗(yàn)證。

我國的中微子研究

在2000年前后發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩是一種很奇特的現(xiàn)象，人們發(fā)現(xiàn)中微子會(huì)“變身”！就像一只蘋果在你面前變成一個(gè)榴蓮，這個(gè)榴蓮過一會(huì)又變成了山竹，山竹過一會(huì)又變回蘋果。這種奇怪的行為是量子力學(xué)在宏觀世界上的表現(xiàn)，但要求中微子質(zhì)量不為零！這與之前的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型理論不符?；玖Ｗ友芯窟@條航船似乎來到了一個(gè)神秘而全新的大陸。

在中微子振蕩的研究方面，中國也開展了很多的工作。中國大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)利用液閃探測(cè)器觀測(cè)大亞灣核電站發(fā)出的中微子，世界上首次精確測(cè)量出中微子振蕩的第三個(gè)混合角θ13，打開了研究中微子CP不守恒的可能性，對(duì)未來20年的中微子乃至整個(gè)粒子物理的研究產(chǎn)生了重要影響。此成果獲得了國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)和美國基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。

未來的二三十年中微子研究將會(huì)是激動(dòng)人心的，中微子的質(zhì)量順序是什么？中微子的CP破壞相位是多少？中微子將會(huì)帶給我們關(guān)于天文和宇宙的什么信息？這每一個(gè)問題都可能讓我們更加了解這個(gè)宇宙，對(duì)當(dāng)代物理學(xué)有重大的意義。我國的中微子研究同樣不會(huì)缺席，目前正在建設(shè)并預(yù)計(jì)于2021年開始的江門中微子實(shí)驗(yàn)是全世界最大的液閃探測(cè)器，將要測(cè)量中微子質(zhì)量順序，也有可能在太陽中微子、地球中微子、中微子天文學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域帶來重大的發(fā)現(xiàn)。

從更廣闊的視角來看，現(xiàn)代物理學(xué)面臨著許多重大的挑戰(zhàn)，包括：（1）為什么正物質(zhì)比反物質(zhì)多？（2）曾經(jīng)我們以為原子構(gòu)成了全部的世界，然而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)原子只占5%，整個(gè)宇宙的95%是暗物質(zhì)和暗能量，它們會(huì)是什么？（3）早期的宇宙是什么樣的？這些問題都與中微子有著或明或暗的關(guān)系。這些重大的問題或許是一扇門，引導(dǎo)基本粒子和宇宙學(xué)研究進(jìn)入更深的層次。