43年后终于观察到了中微子的“温柔接触”

物理学家们通常对他们（理论）希望发生的事情发表了大量的预言，但在他们的有生之年可能不会发生。例如一位物理学家认为在某些情况下难以置信的普通但难以检测的中微子粒子会使整个原子核摆动。他认为即使是提出这个问题也会是一个愚蠢的想法。

图片：Oak Ridge National Laboratory, US DOE, Genevieve Martin

但40年后科学家们宣布他们发现了这一事实。并且至今他还健在看见自己的理论预言被验证。

具体来说科学家已经找到了一种全新的方法来测量“相干中微子-核碰撞”。一名物理学家在七十年代首先预测了这些中微子相互作用的可能性，一些人认为这一发现对未来使用中微子的方法几乎具有科幻意味。其他人在的采取更多的测量。但有一件事是肯定的：物理学家认为结果令人兴奋。

根据我们的物理定律粒子有四种相互作用方式：引力、电磁学、强核力和弱核力。中微子是一种特殊的粒子，它只能通过微弱的核力和引力与其他粒子相互作用，这两种粒子在地球上的实验室都很难探测到。中子是原子核中的两个粒子之一，它可以通过一个叫做β衰变的弱力相互作用，它们自发地变成质子，释放出中微子和电子。

今天物理学家测量中微子的方式有一种反向过程。如果一个中微子击中了一个质子，它可能会引起一个逆β衰变，将质子变成一个电子和一个中子，然后电子就会产生一闪一闪的光，探测器就能探测到。但这种相互作用是罕见的，需要大量的液体来捕捉。

丹尼尔·弗里德曼(Daniel Freedman)是麻省理工学院(MIT)的理论物理学名誉教授，他曾在1974年发表在《物理评论》(Physical Review d)上的一篇论文中预言了一种不同类型的中微子的相互作用，他认为中微子可以与整个原子核相互作用，而不是与质子相互作用。这一过程将是低能量的，因为中微子只能产生微弱的作用力，但它也更常见，因为原子核比质子大得多。它将为中微子探测提供比50千吨水更小的探测器。

带有相干检测器模型的项圈，图片：Jean Lachat/UChicago

但是弗里德曼写道：我的预测可能是一种傲慢的行为，因为交互率、分辨率和背景的必然限制对弹性中微子核散射造成严重的实验困难。换句话说他认为这种互动太过脆弱，很难捕捉到。

四十年后橡树岭国家实验室的一组物理学家证明了弗里德曼的观点是正确的。

“我很高兴1974年在我的论文中提出的实验终于实现了”

这个观察来自一个特殊的实验和好运，橡树岭国家实验室有一个中子(非中微子)实验，叫做散裂中子源(SNS)。它在光束线上将中子泵出，但却产生了大量的中微子（这是一种“副产品”也是一种连贯的动作）呈现出新的结果，中子可能会遮蔽信号，在20英尺的混凝土后面发现了一个点，足以保护任何来自SNS的东西，除了中微子我们真的很幸运能在SNS上找到这个非常棒的地方，杜克大学的物理学家该组织的发言人凯特·肖尔伯格(Kate Scholberg)在《科学(Science)杂志上宣布了他们的研究结果，我担心我们会被中子背景杀死，结果证明这不是真的。

这个连贯的实验本质上是一个晶体，当中微子击中晶格时，通过弱力的相互作用会导致原子核摆动，释放出一个微小的可探测光，衣领说中子束的脉冲断断续续，产生一个可见的上升和下降的探测信号，我们知道中微子应该是什么时候到来的，因为光束每秒只发生60次。

你可以很清楚地看到当光束被打开时，探测器(黑点)的信号会增加，这表明团队已经测量了中微子-原子核的相互作用。

Scholberg说除了证明一个四十年前的理论，这个实验已经开始限制一些关于中微子行为的建议。最重要的应用是潜在的未来的更小的中微子实验。也许50年后我们将会有一些中微子技术。就像今天的高科技激光器一样，公众也可以使用它。

其他的团队正也在其他实验室寻找同样的信号，夏威夷大学的物理学家约翰·格雷戈里(John Gregory)说：这是一个巨大的成功，它发现了一个独特的过程，每个人都相信它的存在，但却很难辨别。他特别把帽子戴在衣领上，但他确实要求对未来的前景保持谨慎，目前他认为应用程序将相当有限。

当然，弗里德曼说：我很高兴我在1974年的论文中提出的预言实验终于实现了。