探索中微子"變臉"之謎

文章作者:勺子 | 2016-04-10
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我們生活在一個中微子充斥其間的世界。當你在閱讀這段文字的時候,已經有數以億計的中微子穿過了你的身體。由于中微子善于穿透任何物質,因而被科學家稱之為難以捕捉的“幽靈粒子”。最近,兩位物理學家因為在中微子方面的突出貢獻而被授予2015年諾貝爾物理學獎。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一,也是目前已知宇宙中數量第二多的粒子,僅次于光子。中微子有一個神奇的特性,那就是可以穿透任何物質。盡管中微子神秘莫測,來無影去無蹤,科學家卻能通過巧妙的方法發現它們的蹤跡。就算它們“玩失蹤”,科學家也能知道它們改頭換面成什么樣子了。2015年諾貝爾物理學獎授予給了日本物理學家梶田隆章和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納,他們的貢獻就是找到了“失蹤”的中微子,發現了它們“變臉”的秘密,并以此證實中微子有質量。

大亞灣中微子探測器

無處不在的“幽靈粒子”

對于中微子的存在與否,始終存有爭議。早在1930年,奧地利物理學家泡利就預言了中微子的存在,但預言者自己都將信將疑。直到1956年,美國兩位物理學家馬丁·佩爾和弗雷德里克·萊因斯才成功地探測到了中微子的存在,宣告了這一“幽靈粒子”的真實存在,該成果在1995年被授予諾貝爾物理學獎。

何為“中微子”呢?其實中微子的“中”不是指大小,而是指電中性,即這種粒子是不帶電的;而“微”字倒是說它很小。所以有科學家建議,為了避免人們誤解中微子的意思,可以稱它為“微中子”。

由于中微子比原子、電子都小得多,其質量小于電子的萬分之一,小于原子的千萬分之一,因此,它微小到難以損傷你身體內的細胞或細胞內的任何有機物質。所以盡管數以億計的中微子源源不斷地穿過我們的身體,我們卻不會產生“萬箭穿心”的感覺。

正因為中微子具有很強的穿透性,且很難和普通物質發生相互作用,一度被科學家稱為捉不住的“幽靈粒子”。后來科學家發現,中微子并非完全不和其他物質相互作用。科學家通過探測它們相互作用時產生的微弱閃光,就可證實中微子的存在。只不過這種作用的概率十分微小,在100億個中微子中只有1個會與其他物質發生反應,所以探測起來非常困難,諾貝爾獎委員會稱這種探測“相當于在整個撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。

解開中微子“失蹤”之謎

1968年,美國物理學家戴維斯觀測到來自太陽的中微子。然而,他測量到的中微子數量僅有理論預測的三分之一。這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。在確認實驗和理論計算都無誤之后,科學家推測,來自太陽的中微子發生了振蕩現象。也就是說,它們發生了如同川劇中的“變臉”現象:從一種中微子變成了其他中微子。太陽產生的中微子是電子中微子,自然界還存在另外兩種:“繆中微子”和“陶中微子”。

難以捕捉的中微子

然而,當時對于中微子的“變臉”現象仍然只能停留在猜想階段,直到更加復雜的大型設施投入運行之后情況才開始有所改觀。在地下深處,巨大的探測設施晝夜不停地搜尋著中微子的蹤跡。之所以將探測設施建設在地下,是想要避開來自宇宙射線以及自然環境中天然放射性衰變過程的影響。即便如此,要想從數以十億計的干擾信號中識別出少數幾個真實的中微子信號,仍然是一項巨大的挑戰。甚至地下礦井中的空氣,以及用來作為探測器的礦物材料中含有的微量元素發生的衰變過程等都會干擾實驗的結果。

加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納他們做了大量的實驗。為了觀測到太陽中微子,他們甚至需要鉆到幾千米的地底下。麥克唐納說:“盡管這樣的觀測并不是自己所期望的,但這似乎是能夠找到太陽中微子的最好的方法。”盡管太陽中微子振蕩現象難以捉摸,它還是被麥克唐納用實驗驗證了。

麥克唐納驗證中微子振蕩采用的是重水中微子探測器。這種探測器安裝在一個2000多米深的廢棄鎳礦中,該礦已被加拿大薩德伯里中微子天文臺購買。這種探測器的主要部分是一個直徑12米的球形容器,里面裝有1000噸重水(重水是由氘和氧組成的化合物,分子式D2O,相對分子質量20.0275,比水H2O的分子量18.0153高出約11%,因此叫作重水。),容器壁用丙烯酸樹脂制成,容器的周圍安裝了9600個光電倍增管,用于探測微量中微子遇到重水后輻射的光子。2001年,麥克唐納利用重水探測器發現了中微子振蕩的證據。

來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中也會產生大量中微子,它們被稱為“大氣中微子”。1988年,日本物理學家梶田隆章在分析數據時發現,能夠檢測到的中微子比預期少,一部分中微子似乎也神秘地失蹤了,這被稱為“大氣中微子反常”現象。

2008年,梶田隆章用超級神岡探測器驗證了大氣中微子也會發生振蕩現象。這個探測器位于日本岐阜縣一個深達1000米的廢棄砷礦中,其主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器,里面裝滿水,容器的內壁上安裝有1.12萬個光電倍增管,用于探測微量中微子遇到水后輻射的光子。

那么,中微子振蕩為什么又和中微子的質量扯上關系呢?因為曾經的理論預測認為,中微子是沒有質量的。按照這個理論,中微子就不可能產生振蕩現象。假如中微子有質量,而且不同中微子存在混合的話,中微子就能在飛行過程中自發變成另一種,有時還能變回來,像波一樣振蕩。

加拿大的重水中微子探測器

中國科學家的貢獻

中國科學家在中微子振蕩研究領域也取得了國際矚目的成績。中國科學院高能物理研究所的科研人員2003年提出設想,利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子來尋找區別于麥克唐納和梶田隆章的第三種中微子振蕩,并提出了實驗和探測器設計的總體方案。2012年,他們終于在大亞灣中微子實驗中發現了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩概率為9.2%。這一重要成果是對物質世界基本規律的一項新的認識,對中微子物理未來發展方向起到了決定性的作用,并將有助于破解宇宙中“反物質消失之謎”。

大亞灣中微子實驗是中國基礎科學領域目前最大的國際合作項目,由中國、美國領導,有俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣科學家共同參與。整個項目建有總長3千米的隧道和3個地下實驗大廳。三個實驗大廳共放置8臺中微子探測器,每臺探測器高5米、直徑5米、重110噸,均置于10米深的水池中。2015年11月8日,“科學突破獎”頒獎儀式在美國加州圣何塞舉行。王貽芳領導的大亞灣反應堆中微子實驗團隊獲得“基礎物理學突破獎”,這也是中國科學家首次獲得該獎項。

在美國《科學》雜志公布的2012年度十大科學突破中,大亞灣中微子實驗發現第三種中微子振蕩模式的成果上榜。《科學》雜志對此的評價是:“如果物理學家無法發現超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能會代表粒子物理學的未來。大亞灣實驗的結果可能就是標志著這一領域起飛的時刻。”

中微子振蕩有啥用

研究中微子振蕩究竟有啥用?當科學家不知道中微子存在質量的時候,很難將它們放入理論模型中去研究,并得出關于物理學的基本結論。所以這個發現不僅改善了物理學理論標準模型,也讓我們有渠道去了解更多的關于宇宙進化的過程。

梶田隆章表示:自己所從事的這項研究,不是那種馬上會有什么用處的研究。這項研究成果屬于滿足人們好奇心的研究,為解釋宇宙起源和演化之謎能提供一定的線索。歷史上很多意義重大的科學發明都起源于人們的好奇心,每個科學發現或許起初缺乏實際用途,但從長遠來看都會對現實生活發生重大影響。

麥克唐納則認為:“幽靈粒子中微子研究將有助解釋宇宙的演變進程。中微子是我們不知如何進一步細分的基本粒子之一,探索它們有助于我們了解宇宙的演變進程,而證明它們具有質量將會幫助我們揭開那些宇宙奧秘。”

有關中微子的研究還有利于揭示太陽能量之謎。科學家認為,太陽的能量來自核心區的核聚變;核心區產生的熱能要經過10萬年,才能傳遞到太陽表面,變成我們能感知的光和熱。要驗證這個理論機制,似乎是一件無法完成的任務,因為人類的探測器連地心都不可能抵達,更不用說太陽核心了。然而,中微子可以輕松地從太陽核心穿過,通過探測來自太陽的中微子,就可以想辦法揭示太陽核聚變之謎,有利于將來更好地在地球上實現人工核聚變。

宇宙射線穿越大氣時會產生大量中微子

諾貝爾獎評選委員會在聲明中稱:梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的研究成果促成了人們對“粒子世界的一次認識蛻變”。兩人的發現同時改變了人類對物質內層運作的看法,并將驗證我們對于宇宙的理解。目前,全世界圍繞中微子展開的種種實驗與研究才得以繼續熱烈地進行下去。逐漸涌現的成果讓我們相信,中微子即將帶來的發現,將改變人類對于歷史、科學乃至整個宇宙未來命運的認識。

2015年諾貝爾物理學獎獲獎者簡介

阿瑟·麥克唐納,生于1943年,加拿大物理學家。1964年在加拿大達爾豪西大學獲物理學士,1965年獲碩士學位,并在美國加州理工學院獲物理學博士學位。1970-1982年任加拿大渥太華的喬克·里弗核實驗室研究員。1982-1989年在美國普林斯頓大學任物理學教授,后加入加拿大女王大學,目前是女王大學大學研究主席。

梶田隆章,生于1959年,日本物理學家、天文學家。在日本埼玉大學獲得物理學學士,在東京大學獲得理學博士。歷任東京大學宇宙線研究所助手(1988年)、副教授(1992年)、教授(1999年)。現任東京大學宇宙線研究所所長,同時兼任該所附屬的宇宙中微子觀測信息融合中心負責人。

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