記：「幽靈粒子」 —— 中微子 發現60周年
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時光荏苒，歲月如梭，距離科學家首次發現「幽靈粒子」中微子已經整整過去了60年。然而，為何今天的科學家面對中微子卻越發困惑？
撰文 阿梅利亞·威廉森·史密斯（Amelia Williamson Smith）
翻譯 杜立配
1930年，沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）提出可能存在一種電中性的新粒子，其質量極小或者為零，而且極難與物質發生相互作用。後來，恩里科·費米（Enrico Fermi）將這種性質奇特的粒子命名為「中微子」（neutrino，即「微小的電中性粒子」之意）。
儘管中微子數量極大，但是科學家們花了26年的時間才得以確認其存在。在隨後的60年間，他們一點點地揭開了這種粒子的神秘面紗。
「似乎每到一個節點，我們都要花十年甚至二十年的時間來設計並建造新的實驗設備，從而才能繼續探測中微子的下一種性質，」來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室能源部的中微子研究人員基思·里拉格（Keith Rielage）如此說道，「一旦有了新的發現，我們常常會摸不著頭腦，因為中微子的性質總是出乎我們的意料。可以說，從一開始，中微子就從未讓我們缺乏驚喜。」
現在我們知道，中微子其實有三種類型，或者說「味道」（flavor），即電子中微子、μ中微子和τ中微子。此外，中微子在傳播的過程中，可以在不同的味道之間發生轉化，或者說「振蕩」。正是由於中微子可以發生振蕩，我們才知道它們必然具有質量。（電子中微子、μ中微子和τ中微子稱為中微子的「味道本徵態」，它們通過弱相互作用與電子、μ子和τ子發生作用，中微子產生時以「味道本徵態」的形式出現。每種味道的中微子同時是三種 「質量本徵態」的疊加，中微子的質量本徵態具有確定的質量。不同味道的中微子在傳播時可以發生轉化，意味著相應的質量本徵態的疊加方式發生了變化，也就是說在傳播過程中三種質量本徵態的相位變化步調有差異，從而意味著它們質量的平方差不為零，因此說中微子振蕩意味著它們具有質量。）
然而，關於中微子的大量謎團仍然尚未解開，這需要全世界科學家和實驗設備通力合作，共同尋找答案。
能量缺失之謎
泡利提出中微子假說是為了試圖解決β衰變的能量守恆問題。β衰變有幾種，其中常見的一種是原子核里的一個中子衰變為一個質子並釋放出一個電子的過程。不穩定原子經過β衰變可以變得更穩定。
如果中子僅僅衰變為一個質子及一個電子，那麼產生的質子和電子應該具有固定的能量，而實驗卻發現釋放出的電子可以具有一系列不同的能量。為了解釋這一現象，泡利認為必然還有一種未知的中性粒子也參與了β衰變。
「如果β衰變還涉及另外一個粒子，那麼系統的總能量將分配給這三個粒子，而分配方式並不是唯一的，」美國費米國家加速器實驗室能源部的中微子研究人員珍妮弗·拉夫（Jennifer Raaf）說。「這樣的話，我們便有時可以探測到能量較高的電子，有時則是能量較低的電子。」
在20世紀50年代初期，洛斯阿拉莫斯實驗室的物理學家弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）及其同事克萊德·考恩（Clyde Cowan）開始試圖探測這種微小、中性，且相互作用極弱的粒子。
當時，中微子被視為神秘的「幽靈粒子」：它遍布我們周圍，卻直接穿透各種物質，還會在β衰變中帶走能量。因此，萊因斯和考恩探測中微子的研究被稱為「鬼驅人計劃」（Project Poltergeist，1982年有一部美國電影叫Poltergeist，譯為《鬼驅人》）。
「這個計劃的名字聽起來還是很貼切的，因為他們本質上也是在試圖驅除一種幽靈，」 里拉格說道。
捕獲幽靈粒子
「發現中微子的故事非常有趣，並且從某些方面說，這個故事只能發生在洛斯阿拉莫斯國家實驗室。」 里拉格說。
整個故事開始於20世紀50年代初期。在洛斯阿拉莫斯工作的萊因斯此時已經領導了幾項在太平洋測試核武器的項目，他很想在測試核武器的同時研究一些基本的物理問題。理論上，一次核爆可以產生數目極大的反中微子，於是，萊因斯就想設計一個實驗來對其進行探測，他說服了在洛斯阿拉莫斯的同事考恩和他一起設計這種實驗。
萊因斯和考恩最初的設想是在大氣層核爆實驗點附近的礦井中放置一個大型液體閃爍探測器，不過後來他們有了更好的主意：將探測器放在核反應堆附近。
然後，在1953年，萊因斯和考恩帶著含有300升液體的探測器「Herr Auge」（德語，意為「眼睛先生」）來到了位於華盛頓州漢福德的大型裂變反應堆。
萊因斯和考恩發現，在反應堆開啟後，類似中微子的信號的確比反應堆關閉時略微增強了一些，但是雜訊實在是太強了，他們不能完全確定這個小的信號來自於中微子。儘管探測器的防護層可以屏蔽來自反應堆的中子及γ射線，但是它卻不能阻礙來自太空的宇宙射線。
在其後一年，萊因斯和考恩對他們的探測器進行了全新的設計，新的探測器具有三層堆疊式結構，可以清晰地區分中微子信號與宇宙射線背景信號。在1955年末，他們帶著新的10噸探測器再次出發，前往位於南卡羅來納州薩瓦那河電廠的強大裂變反應堆。
五個多月的時間裡，萊因斯和考恩不斷地搜集數據並分析結果。在1956年6月，他們終於給泡利拍了一份電報：「我們很高興地通知您，我們確定無疑地探測到了中微子。」
解開下個謎團
20世紀60年代，一個新的中微子謎團出現了，這次始於南達科他州的一個金礦井中。
來自美國布魯克海文國家實驗室能源部的核化學家雷·戴維斯（Ray Davis）當時已經設計了一個用於探測產生自太陽的中微子（又稱為「太陽中微子」）的實驗，它的主體是一個大型氯基探測器，安置於霍姆斯特克礦井地下一英里處，以屏蔽來自宇宙射線的干擾。（譯註：此處的「太陽中微子」，以及下文提到的「大氣中微子」、「地球中微子」是以中微子的產生來源來命名的，此外還有產生自核反應堆實驗的「核反應堆中微子」、產生自粒子加速器的「粒子束中微子」等。）
在1968年，戴維斯的實驗首次探測到了太陽中微子，但實驗結果卻令人困惑。在此之前，天體物理學家約翰·巴考爾（John Bahcall）已經在理論上計算了預期的太陽中微子流量，也就是在一段時間一定區域內應當探測到的中微子數目。然而，實驗探測到的中微子數目僅有理論預言值的三分之一左右，這個偏差後來被稱為「太陽中微子消失之謎」。
起初，科學家們認為要麼是戴維斯的實驗除了問題，要麼是太陽模型存在問題，但是他們在兩邊都沒有檢查出什麼錯誤。逐漸地，科學家開始懷疑問題其實出在中微子身上。
「中微子總是會給我們帶來驚喜，」 里拉格說道，「我們以為事情很簡單，但事實卻並非如此。」
科學家們提出了中微子可能會發生振蕩的理論假說，也就是說在它們傳播的過程中，可以從一種類型轉化到另一種類型。如果中微子可以振蕩，那麼太陽中微子在到達地球時便會成為三種類型中微子的混合，而戴維斯的實驗僅僅對探測其中的電子中微子敏感，這也就解釋了為什麼他的實驗只探測到理論預言數目的三分之一。
1998年，日本超級神岡實驗（Super-Kamiokande）首次探測到大氣中微子（宇宙射線與大氣中的粒子發生相互作用產生的中微子）的振蕩。2001年，加拿大薩德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory，簡稱SNO）宣布發現太陽中微子振蕩的首個證據，並在2002年給出確切證據。至此，在經歷30多年後，科學家終於確認中微子可以發生振蕩，從而也解決了太陽中微子消失之謎。超級神岡實驗的梶田隆章和薩德伯里中微子天文台的阿瑟·麥克唐納也因此獲得2015年的諾貝爾物理學獎。
「中微子可以振蕩，這件事聽起來很有趣，但更重要的是這意味著中微子必定具有質量，」來自加利福尼亞大學伯克利分校的中微子研究人員加布里埃爾·奧雷比·甘恩（Gabriel Orebi Gann）如此評論道，他同時在美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室工作，也是加拿大SNO合作者，「這是一件大事，因為在標準模型的範疇內，中微子是沒有質量的。」
標準模型之外的疑難
描述基本粒子及其相互作用的理論模型——標準模型——並沒有包含賦予中微子質量的機制。因此，中微子具有質量，就把本來極為精確地描述亞原子世界的近乎完美的標準模型敲開了一道裂縫。
「現在最重要的是看整個模型哪些部分可以經受實驗的檢驗，哪些部分還需要補充額外的信息，」拉夫說。
在經過整整60年的研究後，中微子的一些疑難問題仍然尚未得以解決，而這可能會為我們打開一扇通往超出標準模型的新物理的窗口。
中微子反粒子之謎
中微子很特別的一點是，它有可能是自身的反粒子。「目前我們已知的唯一可以區分物質與反物質的因素是電荷，」 奧雷比·甘恩說，「然而中微子是不帶電的，因此一個顯然的問題是，中微子及其反粒子會有什麼樣的區別？」
如果中微子並非自身的反粒子，那麼必然存在電荷之外的性質來區分物質與反物質。「我們目前還不知道這種性質是什麼，我們將會稱其為一種新的對稱性。」奧雷比·甘恩如此評論道。
科學家們正試圖通過搜尋「無中微子雙β衰變」來確定中微子是否是其自身的反粒子。在這種實驗中，科學家會搜尋兩個中子同時衰變為質子的事例。標準的雙β衰變會產生兩個電子及兩個反中微子；然而，如果中微子是其自身反粒子，那麼產生的這兩個反中微子就可以發生湮滅，從而只有電子從衰變中產生出來。
一些籌備中的實驗設備將搜尋這種無中微子雙β衰變，其中包括加拿大SNO+實驗、義大利格蘭薩索國家實驗室的CUORE實驗、美國位於新墨西哥州廢物隔離試驗廠的EXO-200實驗，還有建在美國南達科他州霍姆斯特克礦井中的桑福德地下研究設施MAJORANA實驗，這個礦井也就是戴維斯進行著名的太陽中微子實驗的那個礦井。
中微子質量順序之謎
當前我們知道中微子具有質量，並且三個質量本徵態稍有不同，但是我們並不知道哪個質量本徵態是最重的，而哪個又是最輕的。科學家試圖通過研究中微子長距離振蕩來解決這個問題。
這種實驗通過加速器產生一束中微子，並將其穿過地球送往很遠以外的探測器。這種長基線實驗包括日本的T2K實驗、美國費米實驗室的NOvA實驗以及計劃中的深地中微子實驗（DUNE）。
中微子絕對質量之謎
為了測量中微子的絕對質量，科學家們回到了最初確定中微子存在的反應——β衰變。德國的KATRIN實驗試圖通過研究氚（氫的一種同位素）的β衰變來直接測量中微子質量。
不止三種類型的中微子？
科學家們還假設了另外一種相互作用更弱的「惰性」中微子。為了尋找這種中微子存在的證據，科學家們正在研究短距離運動的中微子。
作為費米實驗室短基線中微子計劃的一部分，科學家們將利用三種探測器搜尋惰性中微子，包括短基線中微子探測器、MicroBooNE以及ICARUS（這是一台曾經在義大利格蘭薩索運行的中微子探測器）。格蘭薩索還將啟動另一個被稱為SOX的實驗來搜尋惰性中微子。
中微子是否會破壞「電荷宇稱對稱性（CP）」？
科學家們也在試圖通過長基線實驗來搜尋CP破壞。如果宇宙大爆炸時產生了等量的物質與反物質，那麼它們應該已經湮滅殆盡了；而事實是宇宙中剩餘了普通物質，這表明某些機制導致了物質多於反物質。如果中微子可以破壞CP對稱性，那麼它可能可以解釋物質的超出機制。
「正是這些未解之謎讓中微子如此激動人心，」 里拉格說。「現在留下的問題都非常棘手，但正如我們常常開玩笑說的那樣，如果問題簡單的話，早就有人已經解決了。這也是我喜歡中微子的原因，因為我們只能從未知中搜尋答案。」
中微子研究簡史
1930年泡利提出中微子假說，用以解釋β衰變中的能量缺失問題。
1934年費米提出包含該粒子的理論，並將其命名為「中微子」（neutrino，義大利語中「微小的電中性粒子」之意）。同年，漢斯·貝特（Hans Bethe）和魯道夫·派爾斯（Rudolf Peierls）通過計算得出中微子與物質的相互作用極其微弱，因而認為無法通過實驗對中微子進行觀測。
1956年由弗雷德里克·萊因斯和克萊德·考恩領導的研究組通過觀測薩瓦納河電廠核反應堆產生的電子反中微子，首次得到中微子存在的確切證據。
1957年布魯諾·蓬泰科爾沃（Bruno Pontecorvo）提出中微子振蕩假說，認為中微子可以從一種類型轉化到另一種類型。
1958年美國布魯克海文國家實驗室的科學家確認中微子總是具有左手螺旋性（也就是說自旋方向與運動方向相反）。
1962年由Leon Lederman，Mel Schwartz和Jack Steinberger領導的研究組在布魯克海文國家實驗室發現第二種類型的中微子，μ中微子。
1968年化學家雷·戴維斯率先開始探測由太陽產生的電子中微子。然而，他在位於霍姆斯特克礦井中的實驗設備觀測到的太陽中微子數目僅僅是太陽模型所預言的三分之一，從而引發「太陽中微子消失之謎」。
1973年位於歐洲核子研究中心的加爾加梅勒研究組的科學家首次觀測到中微子-電子散射時產生的中性流，這表明一種新的相互作用媒介粒子的存在，並在後來被證實為Z玻色子。
1975年來自美國SLAC國家加速器實驗室的Martin Perl及其同事首次觀測到帶電τ子，隨後科學家便預言了τ中微子的存在。
1985年日本神岡實驗及美國IMB實驗在探測宇宙射線與大氣中粒子相互作用時產生的大氣中微子時，發現μ中微子與電子中微子的比例要比理論預言的小，這便是所謂的「大氣中微子反常」現象。
1987年日本神岡實驗及美國IMB實驗首次探測到超新星1987A釋放的中微子。
1988年利昂·萊德曼（Leon Lederman）、梅爾·施瓦茨（Mel Schwartz）及傑克·施泰因貝格爾（Jack Steinberger）由於發現μ中微子而被授予當年的諾貝爾物理學獎。
1989年來自歐洲核子研究中心和美國SLAC國家加速器實驗室的科學家宣稱，有證據表明只存在三種類型的輕型中微子，即電子中微子、μ中微子和τ中微子。
1995年萊因斯由於發現電子中微子而分享了當年的諾貝爾物理學獎（譯註：萊因斯當年的合作者克萊德·考恩已於1974年離世，享年54歲，因此未獲獎）。
1998年日本超級神岡實驗宣布發現中微子振蕩的首個證據，這表明中微子具有質量。實驗顯示了當大氣μ中微子從產生點飛往地下探測器時的消失現象。
2000年費米國家加速器實驗室DONUT實驗組的科學家首次觀測到第三種類型的中微子——τ中微子。
2001年加拿大SNO實驗組宣布發現太陽中微子振蕩的首個證據。
2002年SNO實驗組發布太陽中微子振蕩的確切證據。同年，雷·戴維斯與小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）由於首次探測到中微子的宇宙來源而被授予當年的諾貝爾物理學獎。
2004年日本神岡實驗宣布在記錄核反應堆產生的反中微子時觀測到電子反中微子的再現，從而表明反中微子也可以發生振蕩。
2005年神岡實驗室宣布首次發現地球中微子，也就是在地球內部產生的中微子。
2010年義大利格蘭薩索國家實驗室的OPERA實驗組首次在μ中微子束中探測到一個τ中微子。表明μ中微子在從歐洲核子中心到格蘭薩索的途中發生了振蕩。
2015年超級神岡實驗組的梶田隆章及SNO實驗組的亞瑟·麥克唐納由於在探測中微子振蕩方面的突出貢獻而榮獲諾貝爾物理學獎。
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