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探索中微子“变脸”之谜

杨先碧
我们生活在一个中微子充斥其间的世界。当你在阅读这段文字的时候，已经有数以亿计的中微子穿过了你的身体。由于中微子善于穿透任何物质，因而被科学家称之为难以捕捉的“幽灵粒子”。最近，两位物理学家因为在中微子方面的突出贡献而被授予2015年诺贝尔物理学奖。
中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是目前已知宇宙中数量第二多的粒子，仅次于光子。中微子有一个神奇的特性，那就是可以穿透任何物质。尽管中微子神秘莫测，来无影去无踪，科学家却能通过巧妙的方法发现它们的踪迹。就算它们“玩失踪”，科学家也能知道它们改头换面成什么样子了。2015年诺贝尔物理学奖授予给了日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳，他们的贡献就是找到了“失踪”的中微子，发现了它们“变脸”的秘密，并以此证实中微子有质量。

大亚湾中微子探测器
无处不在的“幽灵粒子”
对于中微子的存在与否，始终存有争议。早在1930年，奥地利物理学家泡利就预言了中微子的存在，但预言者自己都将信将疑。直到1956年，美国两位物理学家马丁·佩尔和弗雷德里克·莱因斯才成功地探测到了中微子的存在，宣告了这一“幽灵粒子”的真实存在，该成果在1995年被授予诺贝尔物理学奖。
何为“中微子”呢？其实中微子的“中”不是指大小，而是指电中性，即这种粒子是不带电的;而“微”字倒是说它很小。所以有科学家建议，为了避免人们误解中微子的意思，可以称它为“微中子”。
由于中微子比原子、电子都小得多，其质量小于电子的万分之一，小于原子的千万分之一，因此，它微小到难以损伤你身体内的细胞或细胞内的任何有机物质。所以尽管数以亿计的中微子源源不断地穿过我们的身体，我们却不会产生“万箭穿心”的感觉。
正因为中微子具有很强的穿透性，且很难和普通物质发生相互作用，一度被科学家称为捉不住的“幽灵粒子”。后来科学家发现，中微子并非完全不和其他物质相互作用。科学家通过探测它们相互作用时产生的微弱闪光，就可证实中微子的存在。只不过这种作用的概率十分微小，在100亿个中微子中只有1个会与其他物质发生反应，所以探测起来非常困难，诺贝尔奖委员会称这种探测“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找一粒沙子”。
解开中微子“失踪”之谜
1968年，美国物理学家戴维斯观测到来自太阳的中微子。然而，他测量到的中微子数量仅有理论预测的三分之一。这被称为“太阳中微子失踪之谜”。在确认实验和理论计算都无误之后，科学家推测，来自太阳的中微子发生了振荡现象。也就是说，它们发生了如同川剧中的“变脸”现象：从一种中微子变成了其他中微子。太阳产生的中微子是电子中微子，自然界还存在另外两种：“缪中微子”和“陶中微子”。
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难以捕捉的中微子
然而，当时对于中微子的“变脸”现象仍然只能停留在猜想阶段，直到更加复杂的大型设施投入运行之后情况才开始有所改观。在地下深处，巨大的探测设施昼夜不停地搜寻着中微子的踪迹。之所以将探测设施建设在地下，是想要避开来自宇宙射线以及自然环境中天然放射性衰变过程的影响。即便如此，要想从数以十亿计的干扰信号中识别出少数几个真实的中微子信号，仍然是一项巨大的挑战。甚至地下矿井中的空气，以及用来作为探测器的矿物材料中含有的微量元素发生的衰变过程等都会干扰实验的结果。
加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳他们做了大量的实验。为了观测到太阳中微子，他们甚至需要钻到几千米的地底下。麦克唐纳说：“尽管这样的观测并不是自己所期望的，但这似乎是能够找到太阳中微子的最好的方法。”尽管太阳中微子振荡现象难以捉摸，它还是被麦克唐纳用实验验证了。
麦克唐纳验证中微子振荡采用的是重水中微子探测器。这种探测器安装在一个2000多米深的废弃镍矿中，该矿已被加拿大萨德伯里中微子天文台购买。这种探测器的主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水（重水是由氘和氧组成的化合物，分子式D2O，相对分子质量20.0275，比水H2O的分子量18.0153高出约11%，因此叫作重水。），容器壁用丙烯酸树脂制成，容器的周围安装了9600个光电倍增管，用于探测微量中微子遇到重水后辐射的光子。2001年，麦克唐纳利用重水探测器发现了中微子振荡的证据。
来自太空的高能宇宙射线在地球大气层中也会产生大量中微子，它们被称为“大气中微子”。1988年，日本物理学家梶田隆章在分析数据时发现，能够检测到的中微子比预期少，一部分中微子似乎也神秘地失踪了，这被称为“大气中微子反常”现象。
2008年，梶田隆章用超级神冈探测器验证了大气中微子也会发生振荡现象。这个探测器位于日本岐阜县一个深达1000米的废弃砷矿中，其主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，里面装满水，容器的内壁上安装有1.12万个光电倍增管，用于探测微量中微子遇到水后辐射的光子。
那么，中微子振荡为什么又和中微子的质量扯上关系呢？因为曾经的理论预测认为，中微子是没有质量的。按照这个理论，中微子就不可能产生振荡现象。假如中微子有质量，而且不同中微子存在混合的话，中微子就能在飞行过程中自发变成另一种，有时还能变回来，像波一样振荡。

加拿大的重水中微子探测器
中国科学家的贡献
中国科学家在中微子振荡研究领域也取得了国际瞩目的成绩。中国科学院高能物理研究所的科研人员2003年提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子来寻找区别于麦克唐纳和梶田隆章的第三种中微子振荡，并提出了实验和探测器设计的总体方案。2012年，他们终于在大亚湾中微子实验中发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡概率为9.2%。这一重要成果是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性的作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。
大亚湾中微子实验是中国基础科学领域目前最大的国际合作项目，由中国、美国领导，有俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾科学家共同参与。整个项目建有总长3千米的隧道和3个地下实验大厅。三个实验大厅共放置8台中微子探测器，每台探测器高5米、直径5米、重110吨，均置于10米深的水池中。2015年11月8日，“科学突破奖”颁奖仪式在美国加州圣何塞举行。王贻芳领导的大亚湾反应堆中微子实验团队获得“基础物理学突破奖”，这也是中国科学家首次获得该奖项。
在美国《科学》杂志公布的2012年度十大科学突破中，大亚湾中微子实验发现第三种中微子振荡模式的成果上榜。《科学》杂志对此的评价是：如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”
中微子振荡有啥用
研究中微子振荡究竟有啥用？当科学家不知道中微子存在质量的时候，很难将它们放入理论模型中去研究，并得出关于物理学的基本结论。所以这个发现不仅改善了物理学理论标准模型，也让我们有渠道去了解更多的关于宇宙进化的过程。
梶田隆章表示：自己所从事的这项研究，不是那种马上会有什么用处的研究。这项研究成果属于满足人们好奇心的研究，为解释宇宙起源和演化之谜能提供一定的线索。历史上很多意义重大的科学发明都起源于人们的好奇心，每个科学发现或许起初缺乏实际用途，但从长远来看都会对现实生活发生重大影响。
麦克唐纳则认为：“幽灵粒子中微子研究将有助解释宇宙的演变进程。中微子是我们不知如何进一步细分的基本粒子之一，探索它们有助于我们了解宇宙的演变进程，而证明它们具有质量将会帮助我们揭开那些宇宙奥秘。”
有关中微子的研究还有利于揭示太阳能量之谜。科学家认为，太阳的能量来自核心区的核聚变;核心区产生的热能要经过10万年，才能传递到太阳表面，变成我们能感知的光和热。要验证这个理论机制，似乎是一件无法完成的任务，因为人类的探测器连地心都不可能抵达，更不用说太阳核心了。然而，中微子可以轻松地从太阳核心穿过，通过探测来自太阳的中微子，就可以想办法揭示太阳核聚变之谜，有利于将来更好地在地球上实现人工核聚变。

宇宙射线穿越大气时会产生大量中微子
诺贝尔奖评选委员会在声明中称：梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳的研究成果促成了人们对“粒子世界的一次认识蜕变”。两人的发现同时改变了人类对物质内层运作的看法，并将验证我们对于宇宙的理解。目前，全世界围绕中微子展开的种种实验与研究才得以继续热烈地进行下去。逐渐涌现的成果让我们相信，中微子即将带来的发现，将改变人类对于历史、科学乃至整个宇宙未来命运的认识。
2015年诺贝尔物理学奖获奖者简介
阿瑟·麦克唐纳，生于1943年，加拿大物理学家。1964年在加拿大达尔豪西大学获物理学士，1965年获硕士学位，并在美国加州理工学院获物理学博士学位。1970-1982年任加拿大渥太华的乔克·里弗核实验室研究员。1982-1989年在美国普林斯顿大学任物理学教授，后加入加拿大女王大学，目前是女王大学大学研究主席。
梶田隆章，生于1959年，日本物理学家、天文学家。在日本埼玉大学获得物理学学士，在东京大学获得理学博士。历任东京大学宇宙线研究所助手（1988年）、副教授（1992年）、教授（1999年）。现任东京大学宇宙线研究所所长，同时兼任该所附属的宇宙中微子观测信息融合中心负责人。

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