中微子的秘密

今年诺贝尔物理学奖授予日本的梶田隆章与加拿大的阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们发现中微子振荡现象，该发现表明中微子拥有质量。中微子是轻子的一种，它在宇宙中无处不在，几乎零质量，很少与其他任何物质互动，因而很难研究它们。梶田隆章和麦克唐纳使用日本、加拿大两国的大型仪器对中微子做出了重要的测量，他们的研究证明中微子存在质量。这个发现对粒子物理学影响深远，甚至在我们对宇宙的理解上都有突破性的意义。
　　中微子的预言
　　我们生活在一个中微子的世界里。每一秒都有数以万亿计的中微子通过你的身体。但你看不到它们，也感受不到它们的存在。中微子几乎以光速在宇宙中传播，几乎不与物质发生相互作用。那么它们究竟来自何方？其中一些中微子是在宇宙大爆炸中产生的，其他则产生于空间或地球上的各种不同过程之中——从恒星衰亡时的超新星爆发，到核电站内的反应堆，以及自然发生的放射性衰变过程，等等。甚至在我们的身体内部，平均每秒也有超过5000个中微子在钾的同位素衰变过程中被产生出来。在抵达地球的中微子中，大部分都源自太阳内部的核反应过程。在整个宇宙中，中微子的数量仅次于光子，是宇宙中数量最多的粒子之一。
　　然而，长期以来科学家们甚至都无法确认中微子是否真的存在。事实上，当中微子的概念最早由物理学家沃尔夫冈·泡利提出来时（泡利是1945年诺贝尔奖获得者），他的主要目的是想为由于β衰变过程中表现出来的能量不守恒现象而感到绝望的物理学家们找到一个解释。β衰变是原子核衰变的一种形式。1930年12月，泡利以“亲爱的（从事）放射性（研究的）女士们和先生们”开头，致信给他的物理学同行。在这封信中，泡利提出，β衰变过程中的一部分能量可能是被一种具有电中性、弱相互作用且质量极小的粒子带走了。但甚至是泡利本人也几乎不相信这样一种粒子是真实存在的。据说他曾经说过这样的话：“我做了一件糟糕的事情，我提出了一种不可能被探测到的粒子。”
　　不久之后，意大利物理学家费米（1938年诺贝尔物理学奖获得者）提出了一种优雅的理论，这个理论将泡利所提出的这种质量极小且具有电中性的粒子也包含在内。这种粒子被称作“中微子”。没有人会想到，这种小小的粒子将引发粒子物理学乃至宇宙学的革命。
　　太阳中微子失踪之谜
　　我们知道，万物生长靠太阳。太阳的能量从哪里来？20世纪上半叶，物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢到氦的核聚变反应。 1939年，德国科学家贝特等人提出：在太阳内部每4个氢核（即质子）转化成1个氦核、2个正电子和2个神秘的中微子。太阳正是由这种核聚变反应释放出来的能量发光发热，哺育着地球上的万物。随着热核反应的进行，中微子被源源不断地释放出来。1956年，美国科学家莱因斯和科万利用核反应堆实验首次测到为数不多的中微子。莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。科学家认为：假如贝特的理论是正确的，我们可以根据太阳释放的能量，精确地计算出太阳释放出多少中微子以及它们的能量分布。但是科学家又发现了一个问题：测到的中微子数仅有预期的三分之一。这就是物理学中著名的“太阳中微子失踪之谜”。
　　为了建立更加完善的基本粒子物理理论，需要解决太阳中微子失踪之谜。但是直到20世纪末，这一问题仍然没有得到圆满的解决。
　　发现大气中微子振荡
　　20世纪70年代末，日本的小柴昌俊提出进行神冈实验，来寻找质子衰变。神冈实验没有找到质子衰变，但是发现了一个奇怪的现象：来自太空的高能宇宙射线在地球大气层中会产生大量中微子，称为大气中微子，包括电子中微子、μ中微子以及它们的反粒子。1988年，小柴昌俊的学生、29岁的梶田隆章在分析数据时发现，测到的中微子比预期少，被称为“大气中微子反常”。
　　如果不是大自然的慷慨，大气中微子反常之谜也许还要延续很久，因为中微子太难探测，更准确的实验需要大笔的经费投入。就在小柴昌俊退休前不久，银河系的小兄弟大麦哲伦星云内有一颗恒星走到了生命的终点，它的临终挣扎就是超新星爆发——SN1987A（实际上它的光传到地球上需要16.8万年）。它的光芒盖过了整个星系，肉眼就可见到。这是400年来观测到的最明亮的超新星。神冈实验观测到了它发出的中微子，证实了超新星爆发会产生极其多的中微子。小柴昌俊因“观测到来自宇宙的中微子”，与戴维斯一起分享了2002年诺贝尔物理学奖。
　　到了20世纪90年代，神冈探测器进行了第二次扩建，这一次规模扩大了10倍，用了5万吨超纯水和11200个光电倍增管，并改名为气势十足的超级神冈探测器。1996年，超级神冈探测器开始取数。超级神冈探测器也通过切伦科夫光来探测中微子，除了太阳中微子，超级神冈实验主要用来探测大气中微子信号。1998年，超级神冈实验的领导人之一，梶田隆章发表了实验的测量结果，第一次证实了中微子振荡现象的存在。
　　丢失的太阳中微子找到了
　　2001年6月18日中午12时15分，由加拿大人阿瑟·麦克唐纳领导的美国、英国和加拿大科学家组成的中微子实验组宣布了一个激动人心的消息：他们解决了太阳中微子难题。这个国际合作小组使用了1000吨重水来探测中微子。探测器放置在加拿大南部城市萨德伯里地下2000米深的一个矿井中。他们用一种不同于神冈实验和超级神冈实验的新方法探测高能区的太阳中微子。这个实验不但确定了电子中微子的数量，还确定了来自太阳的3种类型的中微子的总量，结果与太阳模型的预言相一致。电子中微子占所有中微子总数的三分之一。这样，问题的关键就清楚了：虽然在地面观测到的电子中微子数量只占太阳中微子总数的三分之一，但是后者并没有减少;丢失的电子中微子并没有“消失”，只是转变成了难以探测的μ中微子和τ中微子。链接1
　　诺贝尔物理学奖四度青睐中微子
　　1962年，莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格在美国布鲁克海文实验室利用质子加速器发现了第二种中微子μ中微子。他们因此获得了1988年的诺贝尔物理学奖。后来人们证实总共有3种中微子。
　　1956年，美国科学家莱因斯和科万利用核反应堆实验首次测到为数不多的中微子。莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。
　　1998年，日本的Super-K实验以确凿证据证实中微子的丢失，是因为中微子发生了振荡。美国的戴维斯和日本的小柴昌俊因为对太阳中微子和大气中微子的研究，同时获得了2002年诺贝尔物理学奖。
　　本年度日本科学家梶田隆章、加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳再次因“中微子”获奖，他们发现了中微子振荡，从而证实了中微子有质量。使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释。
　　诺贝尔奖为何频频颁给“中微子”？
　　我们知道，诺贝尔奖颁奖十分谨慎，甚至苛刻，在诺贝尔奖历史上，对同样领域的研究能4次获奖的，除了中微子外再无其他，中微子到底有怎样的魅力？这主要是因为，中微子的研究对人们认识宇宙起源与发展有重大意义。100年前，中微子对所有人来说都是谜，我们根本不了解它。一开始我们以为中微子是没有质量的。在这个逻辑前提下，我们认为可能有一些影响中微子质量的物理学定律还未发现。但是现在我们知道了中微子是有质量的，也就是说并不存在我们还未发现的物理学定律。但是，中微子研究至今仍有许多未解之谜：一是，虽然我们知道中微子有质量，但却不知道它的质量到底是多少;第二个问题就是，中微子为什么这么轻依然有质量？也就是说，我们对中微子知道得仍然太少，每一个发现都是这个领域的重量级发现。中微子的魅力在全球物理学界将不断延续。
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　　中国大亚湾中微子实验
　　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，俄罗斯、捷克及中国香港与中国台湾科学家共同参与。其2006年立项，2007年10月动工，2011年年中逐步完成探测器的建造与安装，同年8月开始近点取数、12月下旬开始远近点同时运行。整个实验建有总长3000米的隧道和3个地下实验大厅，3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。
　　2012年3月8日，大亚湾中微子实验首次发现了一种新的中微子振荡，其振荡概率为9.2%，误差为1.7%，此测量结果的置信度为5.2西格玛。此次大亚湾中微子实验，以超过5倍的标准偏差确立了中微子的第三种振荡模式，更精确地测定了中微子相互振荡的3个混合角中的最后一个角θ13。这一重要成果是对物质世界基本规律的一个新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中的“反物质消失之谜”。
　　【责任编辑】蒲 晖