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神秘的中微子 2016-02-17 16:11:29

在基本粒子的家庭中,中微子是颇为神秘的一个成员。它是宇宙中除了光子外“人口”最多的粒子:光是来自太阳的中微子,每秒钟就有约一百万亿个穿过我们的身体。但是中微子又是隐身高手。我们一生时间中,平均只有不到一个中微子会与身体相互作用。就是体积比楼房还大的现代中微子探测器,每天也只能收集几个中微子反应的事件。

中微子质量微小,不带电荷,与其他物质的作用非常罕见,绝大多数情况只是自顾自地“无害通过”。但是它在粒子物理中却起着非常重要的作用。它不仅是现代基本粒子理论“标准模型”中的重要一员,而且还铺垫着超越标准模型,建立新的物理理论的道路。2015年诺贝尔物理奖是关于中微子振荡的发现,这是第四个关于中微子的得奖工作了。

有趣的是,中微子的“身世”还和能量紧紧地联系在一起。

 

*中微子的问世*

 

中微子第一个为人所知的身份,就是“能量窃贼”。那还是在二十世纪初叶,放射性和原子核结构刚刚被发现的时候。1914年,物理学家查德威克(J. Chadwick)首次测量了贝塔衰变中的电子能量。贝塔衰变是人们发现的第二种原子核自发衰变,其中原子核的电荷数增加1,同时放出一个电子(称为贝塔射线)【注一】。根据爱因斯坦的质能公式和衰变前后的原子核质量,我们可以确定这个反应释放出了多少能量。这些能量应该转化成了贝塔射线的动能。但是测量发现,贝塔射线中电子的能量比计算值要低,而且它不是一个固定值,而是随机变化的。这个现象困扰了物理学家很久,甚至导致超级牛人波尔公开怀疑,能量守恒定律是否在微观尺度上仍然成立。

1930年,因为“泡利不相容原理”而成名,后来得了诺贝尔奖的物理学家泡利(W. Pauli)提出了另一种解释。他认为,贝塔衰变中可能还有一个粒子被放出。那个粒子很小而且不带电,所以我们探测不到。但它带走了一部分能量,所以贝塔射线的能量产生了亏空。这种说法就好像银行经理说:我的帐轧不平,是因为有个隐身的贼。显然这不太能令人信服。所以泡利只是以给同行公开信的形式提出了这个想法,两年后才正式发表论文。后来物理学家费米(E. Fermi)提出关于贝塔衰变的理论,其中包括了中性,无质量的中微子【注二】。

泡利预言中微子时,用的名字是“中子”(neutron)。但后来不久,查德威克发现了与质子质量相仿但不带电的粒子,命名为中子。于是费米就把泡利的粒子改名为中微子(neutrino),意思是微小的中子。可怜的中微子,一问世就是个小三。

因为中微子的微小和电中性,如何探测它是个大问题。理论上,中微子可能在“反贝塔衰变”中现身。贝塔衰变是中子变成质子同时放出电子和中微子。反贝塔衰变是质子吸收中微子变成中子,放出正电子。但是根据费米的计算,反贝塔衰变的几率非常非常小,这样的探测是不现实的。所以在很长时间内,人们,包括始作俑者泡利,都认为中微子的探测是不可能的。

而中微子这个能量窃贼的最终落网,也是与能量有关。二十世纪中叶,原子能的利用成为现实,原子弹和原子反应堆开始大量生产。原子链式反应中产生的中微子,数量比起实验室中自发贝塔衰变来说是天壤之别。于是探测中微子又有了希望。1956年,栾斯(F. Reines)和科万(C. Cowan)探测到了原子反应堆里产生的中微子。他们兴奋地给泡利发电报报告这个喜讯。泡利未发出的回电说:“懂得等待的人就能得到一切。(Everything comes to him who knows how to wait.)”这句话说的自然是泡利自己:从他提出中微子概念到真正“发现”中微子,其中隔了二十六年。而再过两年泡利就要辞世了。但谁知这句话也预言了两位发现者的命运:栾斯要再等待四十年,到1995年才拿到诺贝尔奖。而那时科万已经去世二十年了。今天,原子反应堆仍然是中微子实验的重要“材料”来源。中国在大亚湾核反应堆附近也建立了中微子实验室。

后来人们发现,在基本粒子的家族中,电子有两个表兄弟:渺子(muon)和涛子(tau)。这两种粒子虽然不稳定,但和电子同属轻子家庭。他们的“伴侣”中微子也就分为三种“味道”,称为电中微子,渺中微子和涛中微子。当然,作为轻子,每种“味道”的中微子还有对应的反中微子。渺中微子是在上世纪六十年代被实验观察到的,这个工作得了1988年诺贝尔奖。涛中微子则到了2000年才被直接观察到。

中微子不仅是能量产生过程的产物,也是那些过程的积极参与者。在我们所知的宇宙最大的能量产生过程中,中微子就起着关键作用。超新星爆炸,是燃料耗尽的恒星塌缩,激发起一系列核反应,产生巨大能量的一种星际事件。它发出的强光,在宇宙的另一端都能被看到。而超新星爆炸过程中,超高的能量密度产生了大量中微子/反中微子对。由于爆炸过程中的巨大物质密度,连电磁辐射都被禁锢住了。但中微子束却来去自由,是能量和质量的搬运工,保证了超新星中核反应的充分进行。同时,流入太空的中微子束还是这个巨大能量事件的信使,带着超新星中心核反应的“指纹”。而且因为能轻易穿透正在塌陷的高密度恒星外壳,中微子比光子更早到达宇宙空间。日本物理学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)因为探测到来自超新星的中微子,获得2002年诺贝尔奖。针对超新星的“中微子望远镜”今天是个热门的研究项目。

 

*太阳中微子和中微子振荡*

 

2015年诺贝尔物理奖所褒奖的工作,是关于中微子振荡的。它也与能量密切相关。自古以来,人们对于太阳的能量来源就充满好奇。有人甚至认真算过,如果太阳上都是煤的话够烧多少年。有了核能的知识后,自然就把太阳与核聚变联系起来了。上世纪五,六十年代,太阳产能模型日趋完善,产生了所谓“太阳标准模型(SSM)系列。根据这些模型,太阳内部发生一系列的核聚变反应,提供庞大的太阳能。问题是,如何通过实验来验证?人们目前对地心的情况都所知甚少,直接观察太阳内部更是十分困难。

幸好,太阳深处的核聚变产生大量的中微子,它能畅通无阻地穿过太阳进入宇宙空间,带出那些核反应的信息。于是,巴考(J. Bahcall)等人计算了太阳核反应产生中微子的流量和能谱,以供实验验证。由于距离遥远,太阳中微子在地球上的流量比核反应堆产生的要低得多,探测也就更困难。上世纪六十年代,戴维斯(R. Davis)首次探测到了太阳中微子。因此他在2002年与上面说到的小柴昌俊(他的工作也包括探测太阳中微子)分享了诺贝尔物理奖的一半(同年得奖的另一个工作与中微子无关)。这个探测工作十分困难(在四分之一世纪的实验时间中,太阳中微子总共在戴维斯装着十万加仑液体的探测器里留下了大约2000个氩原子的蛛丝马迹,而戴维斯抓到了其中每一个原子)。但结果却令人失望:测到的中微子数量只有模型预计的三分之一左右。

当然,最有可能的是模型错了,或者模型使用的参数错了。可是别的观测结果又与模型相符,尽管是非常间接的。这时就有人提出了中微子振荡的假说,这就是这次诺贝尔奖的主题。

前面说到,中微子有三种味道:电中微子,渺中微子和涛中微子。太阳产能过程中产生的中微子是电中微子,戴维斯试验中能探测到的也是电中微子。现在发现电中微子短缺了,是不是可能有些中微子在旅行途中变成了其它种类?

理论上说,三种中微子“味道”可以认为是同一种粒子的三个量子态。如果它们是三个质量本征态的叠加,而那些本征态的质量不同,那么这三种“味道”就会随时间而振荡。也就是说,事实上有三种具有不同质量的中微子。它们混合起来形成了三种“味道”。但其混合比例会随时间振荡,以致测量出来的“味道”也就变化不定。这个现象在量子力学上很容易理解,但关键是要有三种不同质量。但是根据目前公认的基本粒子理论“标准模型”,中微子是没有质量的。所以如果真有中微子振荡的话,就与标准模型矛盾了。

这时候,轮到我们的主角出场了。1985年,美国科学家陈华生(H. Chen)指出用重水可以观测两个中微子反应,一个只有电中微子参与,另一个所有中微子都参与。由于可以同时测量电中微子的流量和所有中微子的总流量,这个方法可以判断太阳来的电中微子是否转变成了其它“味道”,从而解决中微子振荡的问题。因为加拿大原子能机构愿意免费借重水给他们,实验室地址就选在加拿大苏得伯雷(Sudbury)一个废弃的矿井里,称为苏德伯雷中微子观测站,简称SNO。这次得诺贝尔奖的马克唐纳(A. B. McDonald)原来是普林斯顿大学的教授,1990年为了领导这个实验室搬到了加拿大。SNO的中微子探测器1999年开始工作,2001年,研究团队发表了初步结果。这个实验2006年结束,而最后结果在2013年发表。实验表明,电中微子的流量是总流量的三分之一,而后者与太阳模型所预计的电中微子产生量相同。这就表明,经过从太阳到地球的长途旅行,中微子的确发生了振荡,结果是三种味道的中微子数量相同,每种只有原来的三分之一。于是,太阳模型得到验证,“中微子缺损之谜”得解,而且中微子振荡被实验观测所证实。顺便说一句,最先提出这个探测概念的陈华生是一位很有成就的理论和实验物理学家,幼年时从中国移民到美国。可惜1987年,他45岁时就逝世了,没能看到SNO的完成。

虽然中微子振荡的假说是关于太阳中微子而提出的,但实际上它有一个更早的实验验证。这就是2015年诺贝尔奖的另一个得主梶田隆章(T. Kajita)领导的日本中微子实验室“超级神冈”(Super-Kamiokande)的工作了。这个实验室探测的是中微子与电子的相互作用。中微子与电子会发生弹性碰撞。根据碰撞后电子在水中产生的切伦科夫辐射,可以判断入射中微子的能量和方向。另一种反应是:中微子参与核反应。变成它的“伴侣”——电中微子变成电子,渺中微子变成渺子。电子和渺子产生的切伦科夫辐射具有不同的光学形态,所以据此可以区分中微子的这两种味道。他们观测的目标不是来自太阳的中微子,而是宇宙射线在大气外层撞击气体分子产生的渺中微子和电中微子,两者的比例是已知的。但以前的实验测出的比例与理论值不符。这也是中微子观测中的一个谜,称为大气中微子反常。而中微子振荡也是可能的解释之一。

梶田隆章团队发现,电中微子和渺中微子的比例随着观测的角度而变化。特别是渺中微子,从天顶上来的比较多,而从地球背面来的就少。这说明,在后者较长的路径中,渺中微子转变成了其它味道。这个结果是1998年发表的。在2004年,他们根据不同能量中微子的表现,进一步证实了“振荡”的现象,也就是渺中微子在变成其它味道后,还会变回去。

中微子振荡的实验证实,听起来原理很简单,但做起来非常不容易。因为中微子发生作用的几率非常小,探测器必须具有很大的质量。超级神冈探测器用了5万吨水和一万三千多个光探头来捕捉中微子的踪迹。SNO用重水,探测效率高一些,但也用了1千吨重水,近一万个光探头。由于中微子事件很稀有,这类实验必须小心排除其它辐射造成的干扰。为此,这两个实验室建筑在深度超过一千米的地下(一般都是利用废弃的矿井),让土层来屏蔽宇宙和大气中的辐射。探测器使用的水和重水必须是极高纯度的,实验室也保持高度洁净,来排除周围环境中的辐射源。这样的实验室建造固然很费时间和金钱,数据收集也需要好多年时间。这样的工作,必须有大团队才能完成。SNO实验室2001年的论文,有170多个作者。超级神冈1998年的论文也有120个作者。所以这次的诺贝尔奖,应该说是奖励这两个团队的艰苦而意义重大的工作。

 

*中微子仍然神秘*

 

从那以后,中微子振荡也被其它一些中微子实验所证实,有关参数被更精密地测量。中微子振荡最大的意义,就是证明了至少某些中微子态有质量。这对于基本粒子的标准模型来说,不是一个简单的参数问题,而是涉及到一些基本的对称性假定,需要大修改才能自圆其说。而且,同为轻子,中微子的质量为何如此之小(可能只有电子的五十万分之一),也是一个谜。中微子有质量这件事还暗示着可能有第四种中微子的存在。它称为“惰性中微子”,与其他物质的相互作用更小,所以也就更难探测。但是它却可能质量很大,也可能是神秘的“暗物质”的成员。中微子振荡实验中测到的有关参数(最重要的是“混合角度”)对于理论的下一步发展也提供了有价值的信息。所以对中微子振荡的证实和研究,在基本粒子和宇宙学中的意义是非常重大的。上面说到的中国大亚湾中微子实验室也是中微子振荡研究的主力团队之一。大亚湾实验室是2016年科学突破奖(Breakthrough Prize in Fundamental Physics)的五个得奖实验室之一。其他的得奖者除了上面说到的两个得诺贝尔奖的实验室之外,还有另外两个日本实验室。

除了中微子的质量外,另一个尚未解决的问题是:中微子与反中微子是不是同一种的粒子?这也是关系到基本对称性的重大问题。我们知道,目前我们观察到的宇宙中主要是正物质存在。但宇宙大爆炸时所有物质都是“无中生有”,从真空中产生的正,反粒子对。它们在冷却过程中相互湮灭,最后剩下了我们现在的正物质世界。这说明当初正,反物质产生时,数量有微小的差异。而其中原因,就与中微子与反中微子是不是同样的粒子有关。有一种“双贝塔衰变”,每个衰变产生一个中微子。如果中微子同时也是反中微子,它们就可能相互“抵消”,形成“无中微子双贝塔衰变”。这个实验上可以观测,但却是非常罕见的事件,至今尚未被观察到。目前在美国能源部的核物理研究长远建设计划中,无中微子双贝塔衰变的实验占着第二位优先,总造价两亿五千万美元以上。

因为中微子在基本粒子理论中的重要地位和在天文观察中的特殊角色,中微子实验虽然很困难但一直吸引着科学家。特别是在今天提高加速器能量越来越困难的情况下,中微子实验为粒子物理学家提供了另一个施展身手的天地。目前最大的中微子探测实验当数“冰立方”(Ice Cube)了。这个2010年完工的实验室建立在南极的冰层上。86根电缆带着5160个光学探测器,埋在地表以下1450米到2450米之间的冰中,监视着一立方公里体积的冰层(相当于十亿吨水)中的中微子踪迹。它主要用来观测来自太空和大气外层的中微子。美国目前计划中最大的高能物理实验项目是“长基线中微子设施”(LBNF),后来改组为“深层地下中微子实验”(DUNE)。它用位于芝加哥的费米实验室的加速器产生中微子,射向在800英里以外的山福地下实验室(Sanford Underground Research Facility)。这个路径两端的中微子探测设施可以研究通过的中微子的性质,也可以对来自超新星爆发的中微子进行相关探测,还可以进行质子衰变的实验。(位于南达科达州的山福实验室也是当年戴维斯探测太阳中微子的地方。)中微子的理论和实验研究都方兴未艾,中微子仍然是个神秘的粒子。可以预料,这个领域未来还会出现不少诺贝尔级的工作【注三,注四】。

 

注一:后来又发现另一种贝塔衰变,原子核电荷数反应后减一,放出的贝塔射线是正电子。

注二:按照我们现在的命名传统,贝塔衰变中放出的应该是反中微子。但为了叙述简便这里暂且忽略这个细节。

注三:要想了解更多中微子的知识,我推荐这本科普书:Neutrino Hunters by Ray Jayawardhana.

注四:本文经布鲁克海文实验室马博士和杰弗逊实验室张博士审阅指正,在《科学网》发表后得到曹俊老师指正,特此鸣谢。文责由作者全部承担。


 

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文章评论
作者:欧阳峰 留言时间:2016-02-18 14:53:57
芨芨草:谢谢来访!
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作者:芨芨草 留言时间:2016-02-17 18:57:15
这个介绍全面,好。
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