神奇的中微子

 

　　

　　

　　大亚湾核电站已成为探索中微子奥秘的重要实验场所

　　

　　中微子研究新进展

　　大亚湾发现一种中微子的新振荡，并首次精确测量其值。这确凿无疑地表明了在电子中微子和τ子中微子之间存在振荡现象，这对于理解物质和反物质之间的不对称性，也就是解开“反物质消失之谜”，具有深远的意义。（详细报道见3月9日11版相关报道）

　　OPERA合作组计划在今年五月重新进行中微子速度的测量实验。考虑到中微子的质量，在经典的狭义相对论理论框架下，中微子的运动速度必须小于但非常接近光速。去年9月，意大利的OPERA合作组报告了他们观察到中微子超光速的现象，引起了全世界粒子物理学家和公众的广泛关注。尽管前不久的消息表明，该结果极有可能是由于该实验中一个连接探测器和电脑的光纤插头松动所产生的错误，但人们依然期待着该实验在排除已知的错误的情况下重新进行的结果。

　　中微子是构成物质世界的最基本粒子之一，在这小小的微粒上，关联着宇宙演化的诸多奥秘。中微子的相关研究或将揭示我们所处的物质世界的起源和未来。

　　A 从中微子的发现历史讲起

　　能量和动量守恒是物理学中的一个基本定律，早在二十世纪初就为广大的物理学家所接受，并应用到各个物理学研究课题中。

　　上世纪20年代，人们在研究β衰变，即原子核自发放出电子的过程时，却发现该过程中的能量不守恒。这是为什么？1930年，著名的奥地利物理学家泡利（W. Pauli）提出，Beta衰变过程中会产生一种电中性的粒子，这种粒子不参与通常的电磁相互作用，很难被探测到，因此会出现能量丢失的情况。泡利把这种粒子叫做“中子”。1933年，为了把这种粒子和查德威克（J. Chadwick）所发现的更重的中子做出区分，意大利物理学家费米（E.Fermi）将其命名为中微子（neutrino）。

　　自那之后的二十年多年中，中微子一直是一个理论上的概念，没有直接的实验上的证据——因为它实在太难以探测了！中国物理学家王淦昌在1942年首次提出了利用β捕获实验来探测中微子，该过程中一个反中微子和一个质子发生反应，产生一个中子和一个正电子，但是当时正值第二次世界大战，处于战火中的各国政府没有精力去关注这么一个没有战略价值的科学实验。

　　直到1956年，美国科学家科温（C.Cowan）和莱因斯（F.Reines）在南卡罗来纳州的一个地下实验室中，使用了200升水和溶于其中的40千克氯化镉作为探测物质，终于成功地证实了来自一个反应堆的反中微子的存在。科温和莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理奖。

　　二十世纪六十到七十年代是粒子物理学发展的黄金时代，其最重要的成果之一是粒子物理标准模型的提出，这是一个关于微观物质的性质及其相互作用的非常成功的理论，它对中微子作出了非常精确的描述和预言。在标准模型中，中微子是最基本的粒子之一，其自旋为1/2，属于费米子。中微子共有三种类型，或者说有三种“味道”，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。μ子中微子于1962年被发现，发现者莱德曼（L. M. Lederman）、斯瓦茨（M. Schwartz）和斯泰因贝格尔（J. Steinberger）因此获得了1988年的诺贝尔物理奖。τ子中微子则是到2000年才由美国费米实验室的DONUT合作组直接观测到的。

　　B 中微子从哪里来？

　　中微子不带电，在四种基本的相互作用中，它们只参与弱相互作用和引力相互作用，而不参与强相互作用和电磁相互作用。由于弱相互作用的有效作用距离相当短，比原子核的直径还小，当中微子穿过日常的物质时，除非其十分接近原子核，一般不会发生相互作用，因此日常的物质相对于中微子基本上是透明的。在已知的物质粒子中，中微子具有最为强大的穿透力，太阳内部核反应过程所产生的中微子大部分能够毫无困难地穿过地球。

　　那么我们在地球上探测到的中微子从何处来呢？

　　中微子主要来源于核反应中的弱衰变，它几乎无处不在。地球岩石中的天然放射性元素，例如铀238，其衰变产生的某些不稳定粒子会发生β衰变，从而产生反中微子。

　　地球大气层不断地被来自宇宙空间中的宇宙射线撞击，产生了多种不稳定的粒子，这些粒子发生弱衰变时会产生中微子。

　　太阳内部进行的热核聚变过程中，四个质子组合成为一个氦原子核，其中两个转化为中子，从而也会放出中微子。

　　超新星爆发标志着一个大质量的恒星的死亡，这个恒星核心的质子和电子会转化为中子，同时放出中微子，带走原来恒星的一部分能量。美国物理学家戴维斯（R. Davis, Jr.）和日本物理学家小柴昌俊由于对宇宙线中微子和超新星中微子的观测获得了2002年的诺贝尔奖物理奖。

　　此外，和宇宙微波背景辐射类似，还存在宇宙背景中微子，它是宇宙早期历史的遗迹。

　　人类也能够人工制造出中微子。例如，在地球上的各个核反应堆中的核燃料在链式反应过程中，都会产生大量的中微子。在粒子加速器实验中，物理学家会利用质子轰击固定靶，通过由此生成的不稳定粒子的衰变，产生具有一定方向性的中微子束流。意大利的OPERA合作组的中微子超光速实验就使用了来自欧洲核子中心（CERN）的中微子束流。

　　C 待解之谜：中微子的质量，振荡及其他

　　研究微观粒子时候的一个非常重要的问题是，这个粒子的质量是多少。长期以来，人们一直将中微子作为无质量的粒子对待，也就是认为中微子没有质量。然而，人们在对太阳中微子研究的过程中发现，理论计算出的电子中微子数目和实验观测到的不符合，一部分电子中微子消失了，这就是著名的太阳中微子问题。

　　对于这个问题，一个可能的解释是中微子振荡：一种类型的中微子在传播的时候会变成另一种类型的中微子。中微子振荡从上世纪末到本世纪初由一系列的实验所证实，太阳中微子问题也得到了圆满的解决。中微子振荡也意味着：中微子具有微小的质量。但是中微子质量的具体数值，目前依然是未解之谜。

　　在理论上，中微子振荡是由于中微子的质量本征态和味道本征态的混合引起的，它可以由一个称为PMNS矩阵的数学工具来描述。这个矩阵可以参数化为三个角度和三个相位因子，三个角度表示了各种味道的中微子之间的混合。在中微子振荡中，一种味道的中微子转化为另一种味道的中微子的概率可以由它们之间的混合角、质量差及传播的距离计算出来。

　　此外，中微子还有很多待解之迷。

　　某些基本粒子还具有一种叫做手征的性质，表明其右旋还是左旋。实验观测发现，通常所称的中微子具有左手手征。每种中微子都有其对应的反粒子，即反中微子，则具有右手手征。由于中微子是中性粒子，有科学家猜想中微子和反中微子实际上是同一种粒子，即所谓的马约拉纳（E. Majorana，意大利物理学家）中微子。反之，若中微子和反中微子不是同一种粒子，那么它被称为狄拉克（P. Dirac，英国物理学家）中微子。中微子是否和反中微子属于同种粒子，可以通过检验是否存在双β衰变来进行判别。如果中微子是马约拉纳中微子，那么会发生双β衰变。目前世界上有数个实验组正在进行该项实验。

　　通过对于中微子的研究，人类对于自然界的认识也在不断深化。我们期待有一天，中微子能够告诉我们更多宇宙的奥秘。