作者：曲炯

審核：劉茜

最近，江門中微子實驗的項目進展屢屢進入人們的視線。中微子是什么呢？江門中微子實驗又是在做哪方面的研究呢？我們就來說說這方面的內容吧！

關于中微子的故事比較長，我們分成兩集來說。第一集，我們先說說中微子的發現歷史和與它相關的兩樁“失竊案”。

中微子是一種被預言出來的粒子，就像海王星那樣，人們先意識到它的存在，再去現實世界里尋找它。人們預言海王星，是因為天王星的遲到早退。提出中微子又是為什么呢？我們得從第一樁“失竊案”——“能量失竊案”說起。

人們研究核輻射時發現，β衰變放射出的β粒子的能譜是連續的。就是說，放射性原子核發出的電子的能量不是個單一確定的值，而具有從零到某一上限的各種動能。這讓科學家們十分困惑，按理說，從原子核里丟出一個電子，電子往東，原子核往西，二者都是確定的粒子，那么，電子的能量就應該確定。可是，實驗室的數據明明白白，而且沒有發現其他輻射能夠做平這筆帳。

這個案子難倒了不少物理學“警官”，連大神玻爾都懷疑到一些世界運行的基本法則，打算承認β衰變中的能量、動量及角動量不守恒了。

另一位大神泡利則認為，只要β衰變的能譜有個上限，事情就應該還沒有嚴重到推翻基本法則的程度，而只是有個身手麻利、反偵察能力很強的竊賊偷走了能量。他提出，在β衰變時，原子核除了放出電子之外，還產生了一個當時的科技手段探測不到的中性粒子，帶著能量偷偷溜走了。

泡利先是把這個假想粒子命名為“中子”（Neutron），但是很快就尷尬了。1932年，查德威克發現了咱們現在公認熟知的中子，搶走了“中子”（Neutron）這個名字。泡利預言的粒子只好換個新名字：“中微子”（Neutrino）。

人們想盡一切辦法尋找中微子。終于，1956年，萊因斯和柯溫在一個核反應堆旁，用400公斤的氯化鎘水溶液和4200升的液體閃爍體做出了當時世界最大的中微子探測器，明確地找到了中微子，并且和理論符合得很好。這個“能量小偷”被抓獲歸案時，距泡利對它的預言已經過了26年，令人欣慰的是，此時泡利仍然在世。

我們身邊的中微子其實非常多，每個人的身體，每秒鐘就有3百萬億個太陽中微子高速通過。但我們對此卻渾然不覺，因為中微子的質量極小，而且是電中性的，在宇宙的四種作用中，它只參與引力作用和弱相互作用。由于質量極小的中微子表現不出什么引力，而弱相互作用的作用距離又非常短，所以中微子在穿過一般物質時不會受到太多阻礙，難以檢測，在它們面前，整個地球乃至太陽都算是透明的。穿過地球那么厚的物質，100億個中微子只有一個能被截留。

我們常常聽說“暗物質、暗能量”這些詞。暗物質說的就是不參與電磁作用、不發光也不吸收光的物質。中微子就是暗物質的一個很好的例子，但它不是咱們從公眾媒體上聽得最多的那類“暗物質”。那個是理論認為的構成宇宙質量的主體部分，但是速度非常慢，不像中微子以近乎光速移動，所以，那些被稱為“冷暗物質”，而中微子則是“熱暗物質”。

跑個題，和中微子比起來，同樣電中性的中子多了個強相互作用，并且中子的質量相當大，能攜帶很高的動能。如果一個中子束擊中咱們的身體，就會撞壞不少原子核，造成輻射病，后果還是比較慘烈的。所以，大家還是要躲避電離輻射（情況不多，日常生活中幾乎沒有），而對視我們如無物的中微子不需要恐懼。

回到中微子的話題上來，它這樣一位反偵察能力超強的“能量竊賊”，又是如何被發現的呢？雖然中微子非常不愿意插手紅塵事務，但它還是有極小的概率參與弱相互作用。只要這個概率不為零，基數足夠大，就還是能捕捉到它。

科學家用的攔截設備，通常是做一個大池子，里面裝滿透明度極高的液體攔截劑，周邊布置一圈圍觀群眾——光電倍增管。假如有個中微子在極小的概率加持下，撞上了攔截劑里的某個原子核并發生了反應，那么這個原子核就會隨即衰變，發射出光子，被光電倍增管監測到，我們也就間接地看到中微子了。

人們通常還會在液體閃爍攔截劑里摻雜一些用來俘獲中子（沒打錯，是中子）的特定元素，比如鎘或釓。中微子撞上液體閃爍劑里的某個質子，發生反應后，會產生一個中子和一個正電子。正電子先和附近的電子湮滅，閃光一次，速度較慢的中子則要經過一段時間再被鎘或釓這些摻雜原子核俘獲，新原子核隨即衰變，再閃一次。這種綁定的雙閃信號特征鮮明，可以極大地降低干擾，提高中微子俘獲事件的置信度。

中微子被發現后，隨即帶來一系列新問題。大家對這個性格高冷、脾氣古怪的明星寵愛有加，對它的研究很快就牽扯出了第二樁“失竊案”，在這個案子里，中微子自己走丟了。

20世紀60年代，戴維斯領導的Homestake實驗中，觀測到來自太陽的中微子流量和標準太陽模型不符，只有理論值的三分之一。1988年，梶田隆章和他的兩位導師在神岡實驗中發現，因宇宙射線轟擊大氣頂層而產生的中微子也比預期的少。這兩個發現分別被稱為“太陽中微子問題”和“大氣中微子反常”。

前面說過，中微子的提出，是從“能量失竊案”開始的。現在，案犯自己被頭套麻袋偷走了，又出了“中微子失竊案”，這畫面真是莫名喜感。

解釋“中微子失竊案”的理論，其實早在案發前就有人提出了。中微子在最初的標準模型中被認為靜質量為零，但如果不為零呢？科學家預言，靜質量不為零的話，就可能出現“中微子振蕩”現象，就是說，一種中微子在飛行時能變成其他中微子，轉變概率與它的能量和飛行距離有關，變過去還能變回來，所以叫“振蕩”。中微子探測器只能探測某種中微子的話，就會感覺數量比預期的少。

現在已知的中微子有三種。一種總是和電子一道產生，被稱為電子中微子；一種總是和繆子（μ子，可以視作一個加重版的電子）一道產生，叫做繆中微子；到2000年才發現的第三種，總是和陶子（τ子，超重版的電子）一道產生，叫做陶中微子。我們把它們稱為不同“味”的中微子：電子味的，繆子味和陶子味的。新鮮出鍋的太陽中微子都是電子味的，如果我們能檢測到它變成的其他味，是不是就能破案了呢？

1996年起，梶田隆章主持的超級神岡實驗開始運作。這次的中微子探測器具有識別中微子運行方向和味的能力。1998年，超級神岡實驗發布探測結果。探測表明，來自探測器下方的繆中微子明顯少于來自上方的。這個差異意味著什么呢？上方的繆中微子是從頭頂的大氣層產生的新貨，而下方的繆中微子是從地球另一頭的大氣層產生、再穿越一個地球跑來的。雖然地球在中微子眼里算是透明，但地球的直徑卻不可忽略，來自下方的繆中微子在穿越一個地球的距離后，自身發生了改變。因此，超級神岡實驗以確鑿的證據發現了大氣中微子的振蕩。

在后來的SNO實驗中，“太陽中微子失竊案”也宣布告破。這次實驗使用了重水作為攔截物，重水可以探測全部三種味的中微子，而不像“失竊案”案發時的探測器那樣只能檢測電子味的。SNO實驗結果表明，中微子總量符合太陽標準模型的預測，但電子中微子確實“丟失”了——因為它們從太陽跑到地球的途中，變成了其他味的，在“失竊案”時逃過了檢測而已。

關于中微子的發現史，我們就先梳理到這里，以后咱們再了解一下對它的其他研究，以及中國所做的研究工作吧！

出品：科普中國-創作培育計劃

來源: 創作培育計劃

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