追尋六十年\"幽靈粒子\"仍是迷霧重重

　　[導(dǎo)讀] 今年是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)中微子60周年，我們?yōu)樗l(fā)了很多諾獎(jiǎng)，卻至今沒(méi)完全了解這種“幽靈粒子”。

　　原標(biāo)題：追尋六十年，“幽靈粒子”仍是迷霧重重

　　圖為日本的中微子觀察站

　　今年是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)中微子60周年，我們?yōu)樗l(fā)了很多諾獎(jiǎng)，卻至今沒(méi)完全了解這種“幽靈粒子”。

　　尋尋覓覓60年，為何今天的科學(xué)家面對(duì)中微子卻越發(fā)困惑？“不斷制造驚喜”的中微子還有哪些未解之謎？

　　“我們很高興地通知您，我們確定無(wú)疑地探測(cè)到了中微子。”60年前，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）及其同事克萊德·考恩（Clyde Cowan）興奮地給中微子假說(shuō)的提出者沃爾夫?qū)?middot;泡利（Wolfgang Pauli）發(fā)去了這樣一份電報(bào)。

　　1956年6月，由萊因斯和考恩領(lǐng)導(dǎo)的研究組通過(guò)觀測(cè)薩瓦納河電廠核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電子反中微子，首次得到中微子存在的確切證據(jù)。

　　1930年，泡利提出可能存在一種電中性的新粒子，其質(zhì)量極小或者為零，而且極難與物質(zhì)發(fā)生相互作用。后來(lái)，恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）將這種性質(zhì)奇特的粒子命名為“中微子”，即“微小的電中性粒子”之意。

　　盡管中微子數(shù)量極大，但是科學(xué)家們花了26年的時(shí)間才得以確認(rèn)其存在。在隨后的60年間，他們一點(diǎn)點(diǎn)地揭開(kāi)了這種粒子的神秘面紗。

　　然而，為何今天的科學(xué)家面對(duì)中微子卻越發(fā)困惑？關(guān)于中微子的大量謎團(tuán)仍然尚未解開(kāi)，這需要全世界科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)設(shè)備通力合作，共同尋找答案。

　　能量缺失之謎

　　泡利提出中微子假說(shuō)是為了試圖解決β衰變的能量守恒問(wèn)題。β衰變有幾種，其中常見(jiàn)的一種是原子核里的一個(gè)中子衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子并釋放出一個(gè)電子的過(guò)程。不穩(wěn)定原子經(jīng)過(guò)β衰變可以變得更穩(wěn)定。

　　如果中子僅僅衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子及一個(gè)電子，那么產(chǎn)生的質(zhì)子和電子應(yīng)該具有固定的能量，而實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)釋放出的電子可以具有一系列不同的能量。為了解釋這一現(xiàn)象，泡利認(rèn)為必然還有一種未知的中性粒子也參與了β衰變。

　　在20世紀(jì)50年代初期，萊因斯和考恩開(kāi)始試圖探測(cè)這種微小、中性，且相互作用極弱的粒子。

　　當(dāng)時(shí)，中微子被視為神秘的“幽靈粒子”：它遍布我們周?chē)瑓s直接穿透各種物質(zhì)，還會(huì)在β衰變中帶走能量。因此，萊因斯和考恩探測(cè)中微子的研究被稱(chēng)為“鬼驅(qū)人計(jì)劃”。

　　1956年，萊因斯和考恩終于捕獲“幽靈粒子”，人類(lèi)首次得到中微子存在的確切證據(jù)。

　　太陽(yáng)中微子消失之謎

　　20世紀(jì)60年代，一個(gè)新的中微子謎團(tuán)出現(xiàn)了，這次始于南達(dá)科他州的一個(gè)金礦井中。

　　來(lái)自美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源部的核化學(xué)家雷·戴維斯（Ray Davis）當(dāng)時(shí)已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于探測(cè)產(chǎn)生自太陽(yáng)的中微子的實(shí)驗(yàn)，它的主體是一個(gè)大型氯基探測(cè)器，安置于霍姆斯特克礦井地下一英里處，以屏蔽來(lái)自宇宙射線的干擾。

　　在1968年，戴維斯的實(shí)驗(yàn)首次探測(cè)到了太陽(yáng)中微子，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人困惑。在此之前，天體物理學(xué)家約翰·巴考爾（John Bahcall）已經(jīng)在理論上計(jì)算了預(yù)期的太陽(yáng)中微子流量，也就是在一段時(shí)間一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)探測(cè)到的中微子數(shù)目。然而，實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的中微子數(shù)目?jī)H有理論預(yù)言值的三分之一左右，這個(gè)偏差后來(lái)被稱(chēng)為“太陽(yáng)中微子消失之謎”。

　　科學(xué)家們提出了中微子可能會(huì)發(fā)生振蕩的理論假說(shuō)，也就是說(shuō)在它們傳播的過(guò)程中，可以從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)化到另一種類(lèi)型。如果中微子可以振蕩，那么太陽(yáng)中微子在到達(dá)地球時(shí)便會(huì)成為三種類(lèi)型中微子的混合，而戴維斯的實(shí)驗(yàn)僅僅對(duì)探測(cè)其中的電子中微子敏感，這也就解釋了為什么他的實(shí)驗(yàn)只探測(cè)到理論預(yù)言數(shù)目的三分之一。

　　1998年，日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)首次探測(cè)到大氣中微子的振蕩。2001年，加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)SNO）宣布發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子振蕩的首個(gè)證據(jù)，并在2002年給出確切證據(jù)。至此，在經(jīng)歷30多年后，科學(xué)家終于確認(rèn)中微子可以發(fā)生振蕩，從而也解決了太陽(yáng)中微子消失之謎。超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的梶田隆章和薩德伯里中微子天文臺(tái)的阿瑟·麥克唐納也因此獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　標(biāo)準(zhǔn)模型之謎

　　描述基本粒子及其相互作用的理論模型并沒(méi)有包含賦予中微子質(zhì)量的機(jī)制。因此，中微子具有質(zhì)量，就把本來(lái)極為精確地描述亞原子世界的近乎完美的標(biāo)準(zhǔn)模型敲開(kāi)了一道裂縫。

　　“現(xiàn)在最重要的是看整個(gè)模型哪些部分可以經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，哪些部分還需要補(bǔ)充額外的信息。”美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室能源部的中微子研究人員珍妮弗·拉夫（Jennifer Raaf）說(shuō)。

　　在經(jīng)過(guò)整整60年的研究后，中微子的一些疑難問(wèn)題仍然尚未得以解決，而這可能會(huì)為我們打開(kāi)一扇通往超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的窗口。

　　中微子反粒子之謎

　　中微子很特別的一點(diǎn)是，它有可能是自身的反粒子。“目前我們已知的唯一可以區(qū)分物質(zhì)與反物質(zhì)的因素是電荷，”加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的中微子研究人員加布里埃爾·奧雷比·甘恩（Gabriel Orebi Gann）說(shuō)，“然而中微子是不帶電的，因此一個(gè)顯然的問(wèn)題是，中微子及其反粒子會(huì)有什么樣的區(qū)別？”

　　如果中微子并非自身的反粒子，那么必然存在電荷之外的性質(zhì)來(lái)區(qū)分物質(zhì)與反物質(zhì)。“我們目前還不知道這種性質(zhì)是什么，我們將會(huì)稱(chēng)其為一種新的對(duì)稱(chēng)性。”奧雷比·甘恩如此評(píng)論道。

　　科學(xué)家們正試圖通過(guò)搜尋“無(wú)中微子雙β衰變”來(lái)確定中微子是否是其自身的反粒子。在這種實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家會(huì)搜尋兩個(gè)中子同時(shí)衰變?yōu)橘|(zhì)子的事例。標(biāo)準(zhǔn)的雙β衰變會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電子及兩個(gè)反中微子；然而，如果中微子是其自身反粒子，那么產(chǎn)生的這兩個(gè)反中微子就可以發(fā)生湮滅，從而只有電子從衰變中產(chǎn)生出來(lái)。

　　一些籌備中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備將搜尋這種無(wú)中微子雙β衰變，其中包括加拿大SNO+實(shí)驗(yàn)、意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的CUORE實(shí)驗(yàn)、美國(guó)位于新墨西哥州廢物隔離試驗(yàn)廠的EXO-200實(shí)驗(yàn)，還有建在美國(guó)南達(dá)科他州霍姆斯特克礦井中的桑福德地下研究設(shè)施MAJORANA實(shí)驗(yàn)，這個(gè)礦井也就是戴維斯進(jìn)行著名的太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)的那個(gè)礦井。

　　中微子質(zhì)量順序之謎

　　當(dāng)前我們知道中微子具有質(zhì)量，并且三個(gè)質(zhì)量本征態(tài)稍有不同，但是我們并不知道哪個(gè)質(zhì)量本征態(tài)是最重的，而哪個(gè)又是最輕的。科學(xué)家試圖通過(guò)研究中微子長(zhǎng)距離振蕩來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

　　這種實(shí)驗(yàn)通過(guò)加速器產(chǎn)生一束中微子，并將其穿過(guò)地球送往很遠(yuǎn)以外的探測(cè)器。這種長(zhǎng)基線實(shí)驗(yàn)包括日本的T2K實(shí)驗(yàn)、美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的NOvA實(shí)驗(yàn)以及計(jì)劃中的深地中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）。

　　為了測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量，科學(xué)家們回到了最初確定中微子存在的反應(yīng)——β衰變。德國(guó)的KATRIN實(shí)驗(yàn)試圖通過(guò)研究氚（氫的一種同位素）的β衰變來(lái)直接測(cè)量中微子質(zhì)量。

　　中微子不止三種類(lèi)型？

　　現(xiàn)在我們知道，中微子其實(shí)有三種類(lèi)型，或者說(shuō)“味道”（flavor），即電子中微子、μ中微子和τ中微子。此外，中微子在傳播的過(guò)程中，可以在不同的味道之間發(fā)生轉(zhuǎn)化，或者說(shuō)“振蕩”。正是由于中微子可以發(fā)生振蕩，我們才知道它們必然具有質(zhì)量。

　　科學(xué)家們還假設(shè)了另外一種相互作用更弱的“惰性”中微子。為了尋找這種中微子存在的證據(jù)，科學(xué)家們正在研究短距離運(yùn)動(dòng)的中微子。

　　作為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室短基線中微子計(jì)劃的一部分，科學(xué)家們將利用三種探測(cè)器搜尋惰性中微子，包括短基線中微子探測(cè)器、MicroBooNE以及ICARUS（這是一臺(tái)曾經(jīng)在意大利格蘭薩索運(yùn)行的中微子探測(cè)器）。格蘭薩索還將啟動(dòng)另一個(gè)被稱(chēng)為SOX的實(shí)驗(yàn)來(lái)搜尋惰性中微子。

　　中微子是否會(huì)破壞“電荷宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性”

　　科學(xué)家們也在試圖通過(guò)長(zhǎng)基線實(shí)驗(yàn)來(lái)搜尋電荷宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)性（CP）破壞。如果宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，那么它們應(yīng)該已經(jīng)湮滅殆盡了；而事實(shí)是宇宙中剩余了普通物質(zhì)，這表明某些機(jī)制導(dǎo)致了物質(zhì)多于反物質(zhì)。如果中微子可以破壞CP對(duì)稱(chēng)性，那么它可能可以解釋物質(zhì)的超出機(jī)制。

　　“正是這些未解之謎讓中微子如此激動(dòng)人心，”來(lái)自美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源部的中微子研究人員基思·里拉格（Keith Rielage）說(shuō)。“現(xiàn)在留下的問(wèn)題都非常棘手，但正如我們常常開(kāi)玩笑說(shuō)的那樣，如果問(wèn)題簡(jiǎn)單的話，早就有人已經(jīng)解決了。這也是我喜歡中微子的原因，因?yàn)槲覀冎荒軓奈粗兴褜ご鸢浮?rdquo;

    稿件來(lái)源：《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國(guó)人》中文版）

　　撰文：阿梅利亞·威廉森·史密斯（Amelia Williamson Smith）

　　翻譯：杜立配 

阿梅利亞·威廉森·史密斯