中微子振蕩新發現有助於揭開宇宙起源之謎

中國科學院高能物理研究所 曹俊

【神秘的中微子】

在災難大片《2012》中，大量來自太陽的神秘粒子——中微子發生了變異，從內部加熱地球，引發火山和海嘯，使城市沉入大海。逼真的場景甚至引發了公眾的擔憂：中微子是什麼東西？它真的會毀滅地球嗎？

中微子在電影《2012》中加熱地球，導致災難

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，它的最大特點就是幾乎不與任何物質反應。不管是人體還是地球，在它看來，都是極為空曠、可以自由穿梭的空間。我們感覺不到它的存在，科學上探測也極為困難。1930年，奧地利科學家泡利為了解釋原子核衰變中能量似乎不守恆的困難，預言了中微子的存在，認為就是這種「永遠找不到的粒子」偷偷帶走了能量。經過整整26年的尋找，美國科學家科萬和雷因斯終於在核反應堆旁探測到中微子，證明了它的存在。雷因斯因此獲得了1995年諾貝爾獎。

太陽的確會發射出不計其數的中微子。地球上任何一塊指甲大小的地方，每秒鐘就有600億個太陽中微子穿過，它們來自太陽核心的核聚變過程。每四個氫原子核聚變成一個氦原子核，釋放出巨大能量的同時，也發射出兩個中微子。1967年，美國科學家戴維斯在地下1500米深的廢棄金礦中進行實驗，探測到了來自太陽的中微子，證實太陽無窮無盡的能量確實來自氫核聚變，被授予2002年諾貝爾獎。

太陽46億年前就開始發光，同時發射出中微子。不像分子可以重組、基因可能突變，中微子是最基本的粒子，它沒有大小、沒有結構，不可能突然發生變異，就像一塊石頭不能變成金塊。2012已經過去，災難並沒有發生，但是中微子的一系列奇特性質，依然強烈吸引著科學家。

【發現中微子振蕩】

探測到太陽中微子後，戴維斯進一步提高測量精度，卻發現它的數量比理論預言的要少得多。他用了30年時間反覆檢驗，探測到的中微子始終只有預計的三分之一，被稱為「太陽中微子失蹤之謎」。無獨有偶，1988年，小柴昌俊和他的學生梶田隆章在日本神岡實驗中發現，宇宙射線在大氣層中產生的中微子也比預期少，稱為「大氣中微子反常」。

由於中微子難以探測，要解決這些謎團需要巨大的探測器，獲取更精確的數據。幸運的是，就在小柴昌俊退休前幾周，神岡實驗碰巧探測到了超新星爆發產生的中微子，這也是迄今為止唯一的一次。超新星爆發是恆星燃燒到生命盡頭後發生劇烈天文現象，對理解宇宙演化非常重要。金、銀、還有生命所需的很多微量元素，都是超新星爆發時合成出來的。理論上認為，超新星爆發需要中微子推動才能發生，小柴昌俊的發現為這一理論提供了證據，因此他與戴維斯分享了2002年諾貝爾獎，也因此得到經費支持，將3千噸的神岡探測器升級成了5萬噸的巨無霸——超級神岡探測器。

超級神岡探測器是一個直徑40米、高40米的圓柱形大水池，裡面灌有5萬噸純凈水。無數穿過探測器的大氣中微子中，偶爾會有一個撞上水中的原子核，產生一道微弱的閃光。這些閃光會被水池壁上安裝的一萬多個極其靈敏的光探測器——光電倍增管捕捉到，從而探測到中微子。

5萬噸的日本超級神岡探測器（Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo）

發現大氣中微子反常10年後，梶田隆章通過超級神岡實驗的數據確證，大氣中微子在飛行過程中自發變成了其它種類的中微子，因此看上去變少了。這種現象被稱為「中微子振蕩」。2002年加拿大薩德伯里實驗證實，太陽中微子失蹤也是因為中微子振蕩。實驗的領導人麥克唐納和梶田隆章一起獲得了2015年諾貝爾物理獎。

【中微子與宇宙起源】

中微子共有三種，分別是電子中微子、繆中微子和陶中微子。它們無處不在，在大部分核過程中都能產生，如太陽發光、反應堆發電、岩石的天然放射性衰變，等等，連每個人也會因體內的鉀-40衰變而每天發射約4億個中微子。

在宇宙誕生的第一秒就產生了無數的中微子，它們留存在現在，充斥著整個宇宙，每一秒鐘就有1億億個穿過我們的身體。它們帶著遠古宇宙的印記，能夠告訴我們宇宙誕生的故事。然而，由於宇宙的膨脹，它們的能量已經降到非常低，以致於現在還沒有找到辦法探測。

以前一直認為中微子沒有質量，永遠以光速飛行。但很早以前就有人提出，假如它們有微小的質量，就可能出現振蕩現象。比如反應堆產生電子反中微子，以接近光速飛離反應堆後，開始變成另外兩種中微子，在2公里左右達到極大值，然後開始變回原來的中微子，像波一樣振蕩。這是一種在宏觀上表現出來的微觀量子干涉現象。

大亞灣實驗觀測到的中微子振蕩：中微子從反應堆飛行一段距離後仍然是它本身的幾率。

發現中微子振蕩現象間接證明了中微子有質量，但由於質量極其小，我們至今也沒能測出來。也正是因為其質量極其小，我們也不確定在理論上怎麼描述，很可能它的質量起源與其它基本粒子是不同的，所以一般認為中微子可能是新理論的突破口。中微子在宇宙中為數極為龐大，極其微小的質量就會影響宇宙的起源和演化。

宇宙誕生於138億年前。根據已知的物理規律，在宇宙早期，正反物質應該成對產生，是一樣多的。可是我們現在的宇宙中，並沒有發現大量反物質存在的跡象。反物質哪裡去了？這是宇宙起源必須回答的關鍵問題。中微子振蕩會帶來一個意外的後果，即正反粒子的行為可以不一樣，很有可能造成反物質消失。這將是未來中微子實驗研究的重點。

中微子可能導致了宇宙起源中的反物質消失之謎

【我國的中微子研究】

發現中微子振蕩後，尋找大氣中微子和太陽中微子振蕩以外的第三種振蕩模式成為研究熱點。它的振蕩大小由參數θ13描述，如果它太小，"反物質消失之謎"就不可能是中微子振蕩造成的,同時,未來中微子振蕩實驗的信號也會很小,用現有技術就測不到這些未知參數。

2003年，中國科學家開始計劃，利用大亞灣核電站發出的中微子來尋找第三種振蕩模式。經過8年的準備和建設，建成了包括3公里隧道、3個地下實驗廳、和8個中微子探測器的實驗站。2012年3月8日，大亞灣中微子實驗在激烈的國際競爭中率先發現了這種新的振蕩，測到了振蕩參數θ13，發現它比最初估計的要大得多，為未來的中微子研究打開了大門。

大亞灣中微子實驗站安裝場景，4個110噸重的中微子探測器浸泡在2000噸純凈水中。

此後，多個新實驗得以提出，以研究中微子振蕩中尚未解決的兩個重要問題：質量順序和正反物質不對稱性。其中包括中國的江門中微子實驗，將在地下700米建立一個2萬噸的探測器，計劃2020年建成，以研究中微子質量順序以及來自天體和地球中微子。美國、日本、印度、法國、韓國也將建設萬噸以上的中微子探測器，進行這兩項研究。

【未來的中微子研究】

中微子研究已經4次獲得諾貝爾獎，2016年度基礎物理學突破獎也授予了包括大亞灣實驗在內的5個中微子振蕩實驗，但中微子仍然存在很多重大謎團，像它的質量大小和起源？它是不是自身的反粒子？是否存在第4種中微子？能不能探測到宇宙大爆炸殘留的中微子？是不是中微子導致了宇宙反物質消失？

如果反物質依然大量存在，正反物質接觸就會發生比核彈還猛烈千倍的爆炸，宇宙就會像誕生之初一樣，依然一片混沌，不會形成日月星辰。從這個意義上，也許正是小小的中微子才造成了宇宙，造就了人類。

原載《新科技知識 幹部讀本》

本文轉自《科學網》

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