【创作培育计划】中微子——两桩失窃案

作者：曲炯

审核：刘茜

最近，江门中微子实验的项目进展屡屡进入人们的视线。中微子是什么呢？江门中微子实验又是在做哪方面的研究呢？我们就来说说这方面的内容吧！

关于中微子的故事比较长，我们分成两集来说。第一集，我们先说说中微子的发现历史和与它相关的两桩“失窃案”。

中微子是一种被预言出来的粒子，就像海王星那样，人们先意识到它的存在，再去现实世界里寻找它。人们预言海王星，是因为天王星的迟到早退。提出中微子又是为什么呢？我们得从第一桩“失窃案”——“能量失窃案”说起。

人们研究核辐射时发现，β衰变放射出的β粒子的能谱是连续的。就是说，放射性原子核发出的电子的能量不是个单一确定的值，而具有从零到某一上限的各种动能。这让科学家们十分困惑，按理说，从原子核里丢出一个电子，电子往东，原子核往西，二者都是确定的粒子，那么，电子的能量就应该确定。可是，实验室的数据明明白白，而且没有发现其他辐射能够做平这笔帐。

这个案子难倒了不少物理学“警官”，连大神玻尔都怀疑到一些世界运行的基本法则，打算承认β衰变中的能量、动量及角动量不守恒了。

另一位大神泡利则认为，只要β衰变的能谱有个上限，事情就应该还没有严重到推翻基本法则的程度，而只是有个身手麻利、反侦察能力很强的窃贼偷走了能量。他提出，在β衰变时，原子核除了放出电子之外，还产生了一个当时的科技手段探测不到的中性粒子，带着能量偷偷溜走了。

泡利先是把这个假想粒子命名为“中子”（Neutron），但是很快就尴尬了。1932年，查德威克发现了咱们现在公认熟知的中子，抢走了“中子”（Neutron）这个名字。泡利预言的粒子只好换个新名字：“中微子”（Neutrino）。

人们想尽一切办法寻找中微子。终于，1956年，莱因斯和柯温在一个核反应堆旁，用400公斤的氯化镉水溶液和4200升的液体闪烁体做出了当时世界最大的中微子探测器，明确地找到了中微子，并且和理论符合得很好。这个“能量小偷”被抓获归案时，距泡利对它的预言已经过了26年，令人欣慰的是，此时泡利仍然在世。

我们身边的中微子其实非常多，每个人的身体，每秒钟就有3百万亿个太阳中微子高速通过。但我们对此却浑然不觉，因为中微子的质量极小，而且是电中性的，在宇宙的四种作用中，它只参与引力作用和弱相互作用。由于质量极小的中微子表现不出什么引力，而弱相互作用的作用距离又非常短，所以中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍，难以检测，在它们面前，整个地球乃至太阳都算是透明的。穿过地球那么厚的物质，100亿个中微子只有一个能被截留。

我们常常听说“暗物质、暗能量”这些词。暗物质说的就是不参与电磁作用、不发光也不吸收光的物质。中微子就是暗物质的一个很好的例子，但它不是咱们从公众媒体上听得最多的那类“暗物质”。那个是理论认为的构成宇宙质量的主体部分，但是速度非常慢，不像中微子以近乎光速移动，所以，那些被称为“冷暗物质”，而中微子则是“热暗物质”。

跑个题，和中微子比起来，同样电中性的中子多了个强相互作用，并且中子的质量相当大，能携带很高的动能。如果一个中子束击中咱们的身体，就会撞坏不少原子核，造成辐射病，后果还是比较惨烈的。所以，大家还是要躲避电离辐射（情况不多，日常生活中几乎没有），而对视我们如无物的中微子不需要恐惧。

回到中微子的话题上来，它这样一位反侦察能力超强的“能量窃贼”，又是如何被发现的呢？虽然中微子非常不愿意插手红尘事务，但它还是有极小的概率参与弱相互作用。只要这个概率不为零，基数足够大，就还是能捕捉到它。

科学家用的拦截设备，通常是做一个大池子，里面装满透明度极高的液体拦截剂，周边布置一圈围观群众——光电倍增管。假如有个中微子在极小的概率加持下，撞上了拦截剂里的某个原子核并发生了反应，那么这个原子核就会随即衰变，发射出光子，被光电倍增管监测到，我们也就间接地看到中微子了。

人们通常还会在液体闪烁拦截剂里掺杂一些用来俘获中子（没打错，是中子）的特定元素，比如镉或钆。中微子撞上液体闪烁剂里的某个质子，发生反应后，会产生一个中子和一个正电子。正电子先和附近的电子湮灭，闪光一次，速度较慢的中子则要经过一段时间再被镉或钆这些掺杂原子核俘获，新原子核随即衰变，再闪一次。这种绑定的双闪信号特征鲜明，可以极大地降低干扰，提高中微子俘获事件的置信度。

中微子被发现后，随即带来一系列新问题。大家对这个性格高冷、脾气古怪的明星宠爱有加，对它的研究很快就牵扯出了第二桩“失窃案”，在这个案子里，中微子自己走丢了。

20世纪60年代，戴维斯领导的Homestake实验中，观测到来自太阳的中微子流量和标准太阳模型不符，只有理论值的三分之一。1988年，梶田隆章和他的两位导师在神冈实验中发现，因宇宙射线轰击大气顶层而产生的中微子也比预期的少。这两个发现分别被称为“太阳中微子问题”和“大气中微子反常”。

前面说过，中微子的提出，是从“能量失窃案”开始的。现在，案犯自己被头套麻袋偷走了，又出了“中微子失窃案”，这画面真是莫名喜感。

解释“中微子失窃案”的理论，其实早在案发前就有人提出了。中微子在最初的标准模型中被认为静质量为零，但如果不为零呢？科学家预言，静质量不为零的话，就可能出现“中微子振荡”现象，就是说，一种中微子在飞行时能变成其他中微子，转变概率与它的能量和飞行距离有关，变过去还能变回来，所以叫“振荡”。中微子探测器只能探测某种中微子的话，就会感觉数量比预期的少。

现在已知的中微子有三种。一种总是和电子一道产生，被称为电子中微子；一种总是和缪子（μ子，可以视作一个加重版的电子）一道产生，叫做缪中微子；到2000年才发现的第三种，总是和陶子（τ子，超重版的电子）一道产生，叫做陶中微子。我们把它们称为不同“味”的中微子：电子味的，缪子味和陶子味的。新鲜出锅的太阳中微子都是电子味的，如果我们能检测到它变成的其他味，是不是就能破案了呢？

1996年起，梶田隆章主持的超级神冈实验开始运作。这次的中微子探测器具有识别中微子运行方向和味的能力。1998年，超级神冈实验发布探测结果。探测表明，来自探测器下方的缪中微子明显少于来自上方的。这个差异意味着什么呢？上方的缪中微子是从头顶的大气层产生的新货，而下方的缪中微子是从地球另一头的大气层产生、再穿越一个地球跑来的。虽然地球在中微子眼里算是透明，但地球的直径却不可忽略，来自下方的缪中微子在穿越一个地球的距离后，自身发生了改变。因此，超级神冈实验以确凿的证据发现了大气中微子的振荡。

在后来的SNO实验中，“太阳中微子失窃案”也宣布告破。这次实验使用了重水作为拦截物，重水可以探测全部三种味的中微子，而不像“失窃案”案发时的探测器那样只能检测电子味的。SNO实验结果表明，中微子总量符合太阳标准模型的预测，但电子中微子确实“丢失”了——因为它们从太阳跑到地球的途中，变成了其他味的，在“失窃案”时逃过了检测而已。

关于中微子的发现史，我们就先梳理到这里，以后咱们再了解一下对它的其他研究，以及中国所做的研究工作吧！

出品：科普中国-创作培育计划