科學家成功驗證四十年前的中微子預言

圖為橡樹嶺國家實驗室的SNS實驗裝置。

圖為科勒拿著相干中微子核碰撞實驗探測器模型。

物理學家會對他們希望發生的事情大費唇舌，但這些事也許終其一生都不會發生。例如，一名物理學家認為在特定情況下，十分常見、但難以探測的中微子可以使整個原子核發生振蕩。考慮到這一現象極難探測，他覺得光是提出這一想法就已經夠傻了。

但四十年後，科學家宣布，他們真的發現了這一現象。

具體來說，科學家找到了一種測量「相干中微子核碰撞」（coherent）的新方法。早在上世紀70年代，一名物理學家就預言了中微子發生互動的可能性。一些人認為此次發現或許能幫助我們如科幻片一般利用中微子。其他人則表現得更為審慎。但有一點是肯定的：物理學家認為這是一次激動人心的發現。

「哇哦！！！！！！」伊利諾伊州費米實驗室的物理學家胡安·埃斯特拉達（Juan Estrada）在郵件中表達了他的激動之情。他也在尋找這一效應，但並未參與此次研究。

根據物理法則，粒子有四種相互作用方式：引力、電磁力、強作用力和弱作用力。中微子是一種特殊的粒子，只能通過弱作用力和引力與其它粒子進行互動，而這兩種力在地球上的實驗室都很難進行探測。中子是原子核含有的兩種粒子之一。中子的β衰變便是弱作用力的一種，在衰變為質子的同時釋放出一個中微子和一個電子。

如今，科學家測量中微子的方法相當於「順藤摸瓜」。如果一個中微子擊中了質子，也許就會使β衰變反向進行，將質子轉化為一個電子和一個中子。電子會發出閃光，從而被探測器捕獲。但這種相互作用十分罕見，且需要耗費大量液體。

麻省理工學院理論物理學榮譽退休教授丹尼爾·弗里德曼（Daniel Freedman）是1974年預言中微子除了與質子互動外、還能發生另一種相互作用的科學家之一。他認為中微子可以與整個原子核產生相互作用。這個過程涉及的能量很少，因為中微子僅能產生極弱的推力。但由於原子核比質子大得多，這將遠比與質子相撞常見。這樣一來，便可以採用規模較小的探測器，只需不到50千噸水就能得到預期效果。

但弗里德曼指出：「我們的假設也許有些傲慢自大，因為中微子-原子核彈性散射實驗中難免受到相互作用率、解析度和研究背景的局限。」換句話說，他認為這種相互作用仍然太過微弱和罕見，因而難以探測。

四十年後，美國橡樹嶺國家實驗室的一組物理學家證明，弗里德曼的預言其實是正確的。「這並非不可能。」卡瓦里太空物理研究所的物理學家胡安·科勒（Juan Collar）指出。

他們能取得預期觀測結果，要歸功於特殊的實驗設計和好運氣。橡樹嶺國家實驗室開展了一項名為「散變中子源」（簡稱SNS）的實驗。該實驗在製造中子束的同時，還產生了大量中微子作為副產品。研究相干中微子核碰撞的科學家們正好利用了這一點。中子云可能會干擾信號，但該研究團隊在20英尺（約合6米）的混凝土牆後的地下室中找到了一處合適的位置，足以擋住除中微子之外、SNS實驗產生的任何粒子。「我們能找到這裡真的非常幸運。」杜克大學物理學家、相干中微子核碰撞合作研究團隊發言人凱特·舒伯格（Kate Scholberg）表示，「我本來擔心會受到中子的影響，結果並不是這樣。」

當中子束開啟時，可以看出清晰的探測器信號（以黑點表示），說明該團隊確實捕捉到了中微子與原子核的相互作用。

相干中微子核碰撞實驗裝置本質上是一塊晶體，當中微子擊中晶格時，通過弱作用力產生的相互作用使原子核發生振蕩，釋放出可以被探測到的微弱光線。中子束脈衝時強時弱，因此探測信號也隨之上下起伏。「我們知道中微子何時會被發射過來，因為中子束恰好每秒鐘只開啟60次。」科勒解釋道，「這對於我們非常重要。」

舒伯格指出，該實驗不僅驗證了40年前的預言，還為一些針對中微子行為的猜想給出了約束。科勒認為該研究最重要的影響在於，它為小型中微子實驗開創了全新的未來。「也許50年後，我們真的發明了可行的中微子技術。」且這些技術可供公眾使用，就像曾經顯得高大上、如今已飛入尋常百姓家的激光發射器一樣。

其他專家也激動不已。有些團隊已經開始在自己的實驗室中尋找同樣的信號。「能發現這樣一個所有人都相信存在、只是難以識別的現象，可謂一次巨大的成功。」夏威夷大學的物理學家約翰·格里高利·倫德（John Gregory Learned）指出。他尤其欣賞科勒所做的貢獻。但他也呼籲人們對該技術的前景持更謹慎的態度，就目前而言，他認為該技術的應用途徑相當有限。

弗里德曼也十分高興。

「終於有人做了我在1974年提出的實驗，」弗里德曼表示，「我當然激動得要命。」（葉子）

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