追尋六十年 「不斷製造驚喜」的 「幽靈粒子」仍是迷霧重重

圖為日本的中微子觀察站

今年是人類發現中微子60周年，我們為它發了很多諾獎，卻至今沒完全了解這種「幽靈粒子」。

尋尋覓覓60年，為何今天的科學家面對中微子卻越發困惑？「不斷製造驚喜」的中微子還有哪些未解之謎？

「我們很高興地通知您，我們確定無疑地探測到了中微子。」60年前，美國洛斯阿拉莫斯國家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）興奮地給中微子假說的提出者沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）發去了這樣一份電報。

1956年6月，由萊因斯和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。

1930年，泡利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」，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。

然而，為何今天的科學家面對中微子卻越發困惑？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。

在20世紀50年代初期，萊因斯和考恩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」。

1956年，萊因斯和考恩終於捕獲「幽靈粒子」，人類首次得到中微子存在的確切證據。

太陽中微子消失之謎

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。

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」。

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，日本超級神岡實驗首次探測到大氣中微子的振蕩。2001年，加拿大薩德伯里中微子天文台（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。

標準模型之謎

描述基本粒子及其相互作用的理論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。」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。

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，」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）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）。

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。

中微子不止三種類型？

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。

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」

科學家們也在試圖通過長基線實驗來搜尋電荷宇稱對稱性（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，」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）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。」

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