撲朔迷離的中微子

曹俊供圖

最近，我國大亞灣中微子實驗測得了迄今為止最精確的反應堆中微子能譜，發現與理論預期存在兩處偏差，這為未來的反應堆中微子實驗提供了重要的測量數據，也激起了很多科學家和科學媒體關於惰性中微子的討論。

為何要研究中微子

研究中微子有可能揭示許多未解的物理之謎，包括宇宙的歷史、形成與未來。在宇宙大爆炸時期，中微子是產生的最多的粒子之一。現今仍大量產生於恆星內部的核反應過程和宇宙射線撞擊地球大氣層過程。

中微子也是核反應堆發電時發射的副產物，這使科學家可以對其進行可控的研究。事實上，在20世紀50年代，人們正是在反應堆旁首次探測到了中微子。中微子因為性質極不活躍，當時曾被認為不可能被探測到。自那之後，反應堆實驗在揭示中微子振蕩（即電子、繆子、陶子三種中微子之間的相互轉換）以及其他重要屬性中起了至關重要的作用。2015年諾貝爾物理學獎授予了十幾年前發現太陽中微子振蕩和大氣中微子振蕩的兩位科學家，而2012年，我國大亞灣中微子實驗利用反應堆發現了第三種中微子振蕩，去年被授予基礎物理學突破獎。

反應堆實驗的一個關鍵因素是需要知道反應堆總共發射了多少個中微子（稱為通量）以及不同能量的中微子各佔多少（稱為能譜）。在早期的研究中，科學家們根據對反應堆中複雜的裂變過程的理解，通過計算或其他間接方法來估計這些數值，對理論模型具有很強的依賴性。

大亞灣實驗測得的反應堆中微子能譜有一個意外的特徵：在能量5百萬電子伏特（MeV）左右，數據超出理論預期10%，對應4倍標準偏差。另外兩個實驗也得到了類似的結論，但其測量精度不如大亞灣。此外，關於通量的測量也顯示，反應堆中微子的總產額比某些模型的預期值低6%。這個結果與以往實驗的測量結果一致。這種現象被稱作「反應堆中微子反常」。該現象可能來自理論模型的缺陷，也有很多人認為可能是由惰性中微子振蕩引起的，後者是一個理論上假設的粒子。「反應堆中微子反常」是否存在是一個未解之謎。

關於中微子的研究總是撲朔迷離

上世紀70年代初發現實驗探測到太陽中微子僅為理論預期的三分之一，大部分中微子不知所終，這困擾科學界達四十年之久，被稱為「太陽中微子失蹤之謎」。80年代發現大氣中微子也比預期少，稱為「大氣中微子反常」。這兩個反常現象導致了中微子振蕩的發現，去年被授予諾貝爾物理學獎。

90年代美國洛斯阿拉莫斯實驗室LSND實驗利用加速器產生中微子，發現中微子飛行30米後轉化成了其他中微子，但無法用標準的中微子振蕩來解釋，稱為「LSND反常」。為了解釋這個反常現象，有科學家提出，存在一種非常特別的中微子，叫惰性中微子，它只參與振蕩，不參與弱相互作用。為了證實或者否定LSND的實驗現象，美國費米實驗室又專門做了一個實驗，叫MiniBooNE。結果不但沒有解決問題，反而又發現探測到的中微子中能量較低的一部分比預期多。

2011年，法國人重新處理了20年前測的核素貝塔譜數據，說以前算的反應堆中微子流強算低了3%。以前總共做過十幾個近距離的反應堆中微子實驗，與以前的流強計算是一致的，沒有看到振蕩。按現在的中微子振蕩知識，也不應該看到振蕩。現在說原來流強算低了3%，也就是說原來的十幾個實驗都看到了反應堆中微子丟失，稱之為「反應堆中微子反常」，然後緊跟又發了一篇論文，說需要「惰性中微子」才能解釋。

至此，中微子的4種常用研究手段，太陽中微子、大氣中微子、加速器中微子、反應堆中微子，統統出現了反常現象，只不過有的已獲得了諾貝爾獎，有的則被廣為質疑。

中微子探測困難，假信號干擾多，因此容易出錯。2011年費米實驗室的MINOS實驗稱有98%的把握，證明正反中微子的振蕩不一樣，第二年獲得更多數據後，自己發現是統計漲落造成的假現象。以前還有一些實驗，聲稱探測到中微子的質量，聲稱發現中微子是自己的反粒子等等，後來都被其他實驗否定。

最有名的事件是2011年義大利OPERA聲稱發現中微子超光速，不僅讓科學家議論紛紛，也在普羅大眾中掀起了討論中微子、相對論，暢想時光倒流的熱潮。相對論是一百年來經過千錘百鍊的現代物理學支柱，而中微子實驗通常極端困難，不容易有乾淨利落的結果，因此，諾貝爾物理學獎得主史蒂文·溫伯格譏諷道： 「這就像有人說，在花園深處有一些小仙女，但我們只能在漆黑和有濃霧的夜晚才能看到。」惰性中微子從實驗證據上看也許不太有力，但仍然有相當多的科學家對此非常熱衷，因為從理論上說它很有吸引力。

中微子質量非常非常小，事實我們還沒有實驗直接測量到，只是通過中微子振蕩現象證明了它有質量，測出了不同中微子之間的質量差別。這麼小的質量，在理論上解釋是困難的。為了比較自然地解釋中微子質量為何如此之小，很多研究中微子的科學家，甚至是大部分，都比較相信一種叫「蹺蹺板機制」的理論。在這個理論中，存在很重的尚未發現的中微子。我們現在知道，可見的物質只佔宇宙總能量的5%，暗物質佔27%，其他都是暗能量。但暗物質粒子還沒有被找到，暗能量的本質則更加不清楚。如果存在很重的中微子，就很可能是暗物質的組成成分。也有科學家認為質量稍微輕一點，但比常規的三種中微子重的惰性中微子，也可能是所謂的「溫暗物質」。不管怎麼樣，理論家都希望存在新種類的中微子。既然可能存在這些新種類的中微子，為什麼不能存在惰性中微子呢？或者，它們本來就是惰性中微子？

理論和假設需要實驗來檢驗

不管怎樣，這些理論和假設都需要實驗來檢驗。很多新的實驗正在進行或規劃中。一種辦法就是利用反應堆。大亞灣實驗看到的是中微子跟模型預期相比丟了6%。如果在離反應堆只有幾米遠的地方放置探測器測量，然後在遠一點測量，進行比較，就可以發現反應堆中微子是不是真的丟失了，還是模型有錯。國際上有七八個實驗方案，有的已經在進行，有的正在研製探測器，比如美國的Prospect實驗和NuLat實驗，法國的Nucifer實驗和Stereo實驗，比利時的SOLID實驗，俄羅斯的Neutrino4實驗和Posseidon實驗，韓國實驗等。

第二種辦法是利用加速器，也是在離加速器很近的地方放置探測器，美國費米實驗室有兩個實驗正在研究。還有一種辦法就是把高強度的放射源放到已有的大型中微子探測器旁邊，放射源產生中微子，這樣可以研究是否有惰性中微子參加了振蕩。義大利的Borexino實驗即將進行這樣的實驗。

正在建設中的我國江門中微子實驗將在地下700米建造一個2萬噸的探測器，也可以用來研究惰性中微子。比如，將義大利使用的高強度的放射源放到直徑35米的探測器，如果LSND看到的信號是對的，就能看到放射源發出的中微子在探測器內振蕩，可以看到完整的振蕩圖像，而不是一個孤零零的數字，乾淨地證明它的存在。如果前面的實驗在2020年江門實驗開始運行時還沒有得出結論，或者只給出模糊的結論，用江門的探測器來尋找惰性中微子將是一個值得期待的實驗。

作者：曹俊 系中科院高能物理研究所研究員

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