【創(chuàng)作培育計(jì)劃】中微子——兩樁失竊案

作者：曲炯

審核：劉茜

最近，江門中微子實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目進(jìn)展屢屢進(jìn)入人們的視線。中微子是什么呢？江門中微子實(shí)驗(yàn)又是在做哪方面的研究呢？我們就來說說這方面的內(nèi)容吧！

關(guān)于中微子的故事比較長(zhǎng)，我們分成兩集來說。第一集，我們先說說中微子的發(fā)現(xiàn)歷史和與它相關(guān)的兩樁“失竊案”。

中微子是一種被預(yù)言出來的粒子，就像海王星那樣，人們先意識(shí)到它的存在，再去現(xiàn)實(shí)世界里尋找它。人們預(yù)言海王星，是因?yàn)樘焱跣堑倪t到早退。提出中微子又是為什么呢？我們得從第一樁“失竊案”——“能量失竊案”說起。

人們研究核輻射時(shí)發(fā)現(xiàn)，β衰變放射出的β粒子的能譜是連續(xù)的。就是說，放射性原子核發(fā)出的電子的能量不是個(gè)單一確定的值，而具有從零到某一上限的各種動(dòng)能。這讓科學(xué)家們十分困惑，按理說，從原子核里丟出一個(gè)電子，電子往東，原子核往西，二者都是確定的粒子，那么，電子的能量就應(yīng)該確定?？墒牵瑢?shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)明明白白，而且沒有發(fā)現(xiàn)其他輻射能夠做平這筆帳。

這個(gè)案子難倒了不少物理學(xué)“警官”，連大神玻爾都懷疑到一些世界運(yùn)行的基本法則，打算承認(rèn)β衰變中的能量、動(dòng)量及角動(dòng)量不守恒了。

另一位大神泡利則認(rèn)為，只要β衰變的能譜有個(gè)上限，事情就應(yīng)該還沒有嚴(yán)重到推翻基本法則的程度，而只是有個(gè)身手麻利、反偵察能力很強(qiáng)的竊賊偷走了能量。他提出，在β衰變時(shí)，原子核除了放出電子之外，還產(chǎn)生了一個(gè)當(dāng)時(shí)的科技手段探測(cè)不到的中性粒子，帶著能量偷偷溜走了。

泡利先是把這個(gè)假想粒子命名為“中子”（Neutron），但是很快就尷尬了。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了咱們現(xiàn)在公認(rèn)熟知的中子，搶走了“中子”（Neutron）這個(gè)名字。泡利預(yù)言的粒子只好換個(gè)新名字：“中微子”（Neutrino）。

人們想盡一切辦法尋找中微子。終于，1956年，萊因斯和柯溫在一個(gè)核反應(yīng)堆旁，用400公斤的氯化鎘水溶液和4200升的液體閃爍體做出了當(dāng)時(shí)世界最大的中微子探測(cè)器，明確地找到了中微子，并且和理論符合得很好。這個(gè)“能量小偷”被抓獲歸案時(shí)，距泡利對(duì)它的預(yù)言已經(jīng)過了26年，令人欣慰的是，此時(shí)泡利仍然在世。

我們身邊的中微子其實(shí)非常多，每個(gè)人的身體，每秒鐘就有3百萬億個(gè)太陽中微子高速通過。但我們對(duì)此卻渾然不覺，因?yàn)橹形⒆拥馁|(zhì)量極小，而且是電中性的，在宇宙的四種作用中，它只參與引力作用和弱相互作用。由于質(zhì)量極小的中微子表現(xiàn)不出什么引力，而弱相互作用的作用距離又非常短，所以中微子在穿過一般物質(zhì)時(shí)不會(huì)受到太多阻礙，難以檢測(cè)，在它們面前，整個(gè)地球乃至太陽都算是透明的。穿過地球那么厚的物質(zhì)，100億個(gè)中微子只有一個(gè)能被截留。

我們常常聽說“暗物質(zhì)、暗能量”這些詞。暗物質(zhì)說的就是不參與電磁作用、不發(fā)光也不吸收光的物質(zhì)。中微子就是暗物質(zhì)的一個(gè)很好的例子，但它不是咱們從公眾媒體上聽得最多的那類“暗物質(zhì)”。那個(gè)是理論認(rèn)為的構(gòu)成宇宙質(zhì)量的主體部分，但是速度非常慢，不像中微子以近乎光速移動(dòng)，所以，那些被稱為“冷暗物質(zhì)”，而中微子則是“熱暗物質(zhì)”。

跑個(gè)題，和中微子比起來，同樣電中性的中子多了個(gè)強(qiáng)相互作用，并且中子的質(zhì)量相當(dāng)大，能攜帶很高的動(dòng)能。如果一個(gè)中子束擊中咱們的身體，就會(huì)撞壞不少原子核，造成輻射病，后果還是比較慘烈的。所以，大家還是要躲避電離輻射（情況不多，日常生活中幾乎沒有），而對(duì)視我們?nèi)鐭o物的中微子不需要恐懼。

回到中微子的話題上來，它這樣一位反偵察能力超強(qiáng)的“能量竊賊”，又是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？雖然中微子非常不愿意插手紅塵事務(wù)，但它還是有極小的概率參與弱相互作用。只要這個(gè)概率不為零，基數(shù)足夠大，就還是能捕捉到它。

科學(xué)家用的攔截設(shè)備，通常是做一個(gè)大池子，里面裝滿透明度極高的液體攔截劑，周邊布置一圈圍觀群眾——光電倍增管。假如有個(gè)中微子在極小的概率加持下，撞上了攔截劑里的某個(gè)原子核并發(fā)生了反應(yīng)，那么這個(gè)原子核就會(huì)隨即衰變，發(fā)射出光子，被光電倍增管監(jiān)測(cè)到，我們也就間接地看到中微子了。

人們通常還會(huì)在液體閃爍攔截劑里摻雜一些用來俘獲中子（沒打錯(cuò)，是中子）的特定元素，比如鎘或釓。中微子撞上液體閃爍劑里的某個(gè)質(zhì)子，發(fā)生反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)正電子。正電子先和附近的電子湮滅，閃光一次，速度較慢的中子則要經(jīng)過一段時(shí)間再被鎘或釓這些摻雜原子核俘獲，新原子核隨即衰變，再閃一次。這種綁定的雙閃信號(hào)特征鮮明，可以極大地降低干擾，提高中微子俘獲事件的置信度。

中微子被發(fā)現(xiàn)后，隨即帶來一系列新問題。大家對(duì)這個(gè)性格高冷、脾氣古怪的明星寵愛有加，對(duì)它的研究很快就牽扯出了第二樁“失竊案”，在這個(gè)案子里，中微子自己走丟了。

20世紀(jì)60年代，戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的Homestake實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到來自太陽的中微子流量和標(biāo)準(zhǔn)太陽模型不符，只有理論值的三分之一。1988年，梶田隆章和他的兩位導(dǎo)師在神岡實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因宇宙射線轟擊大氣頂層而產(chǎn)生的中微子也比預(yù)期的少。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)分別被稱為“太陽中微子問題”和“大氣中微子反常”。

前面說過，中微子的提出，是從“能量失竊案”開始的。現(xiàn)在，案犯自己被頭套麻袋偷走了，又出了“中微子失竊案”，這畫面真是莫名喜感。

解釋“中微子失竊案”的理論，其實(shí)早在案發(fā)前就有人提出了。中微子在最初的標(biāo)準(zhǔn)模型中被認(rèn)為靜質(zhì)量為零，但如果不為零呢？科學(xué)家預(yù)言，靜質(zhì)量不為零的話，就可能出現(xiàn)“中微子振蕩”現(xiàn)象，就是說，一種中微子在飛行時(shí)能變成其他中微子，轉(zhuǎn)變概率與它的能量和飛行距離有關(guān)，變過去還能變回來，所以叫“振蕩”。中微子探測(cè)器只能探測(cè)某種中微子的話，就會(huì)感覺數(shù)量比預(yù)期的少。

現(xiàn)在已知的中微子有三種。一種總是和電子一道產(chǎn)生，被稱為電子中微子；一種總是和繆子（μ子，可以視作一個(gè)加重版的電子）一道產(chǎn)生，叫做繆中微子；到2000年才發(fā)現(xiàn)的第三種，總是和陶子（τ子，超重版的電子）一道產(chǎn)生，叫做陶中微子。我們把它們稱為不同“味”的中微子：電子味的，繆子味和陶子味的。新鮮出鍋的太陽中微子都是電子味的，如果我們能檢測(cè)到它變成的其他味，是不是就能破案了呢？

1996年起，梶田隆章主持的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)開始運(yùn)作。這次的中微子探測(cè)器具有識(shí)別中微子運(yùn)行方向和味的能力。1998年，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)布探測(cè)結(jié)果。探測(cè)表明，來自探測(cè)器下方的繆中微子明顯少于來自上方的。這個(gè)差異意味著什么呢？上方的繆中微子是從頭頂?shù)拇髿鈱赢a(chǎn)生的新貨，而下方的繆中微子是從地球另一頭的大氣層產(chǎn)生、再穿越一個(gè)地球跑來的。雖然地球在中微子眼里算是透明，但地球的直徑卻不可忽略，來自下方的繆中微子在穿越一個(gè)地球的距離后，自身發(fā)生了改變。因此，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。

在后來的SNO實(shí)驗(yàn)中，“太陽中微子失竊案”也宣布告破。這次實(shí)驗(yàn)使用了重水作為攔截物，重水可以探測(cè)全部三種味的中微子，而不像“失竊案”案發(fā)時(shí)的探測(cè)器那樣只能檢測(cè)電子味的。SNO實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中微子總量符合太陽標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，但電子中微子確實(shí)“丟失”了——因?yàn)樗鼈儚奶柵艿降厍虻耐局校兂闪似渌兜?，在“失竊案”時(shí)逃過了檢測(cè)而已。

關(guān)于中微子的發(fā)現(xiàn)史，我們就先梳理到這里，以后咱們?cè)倭私庖幌聦?duì)它的其他研究，以及中國(guó)所做的研究工作吧！

出品：科普中國(guó)-創(chuàng)作培育計(jì)劃