神奇的中微子

神奇的中微子第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一中微子是一種基本粒子，不帶電，質量極小，幾乎不與其他物質作用，在自然界廣泛存在。太陽內部核反應產生大量中微子，每秒鐘通過我們眼睛的中微子數以十億計。中微子的觀測 中微子只參與非常微弱的弱相互作用，具有最強的穿透力，能穿越地球直徑那么厚的物質。在100億個中微子中只有一個會與物質發(fā)生反應，因此中微子的檢測非常困難。正因為如此，在所有的基本粒子，人們對中微子了解最晚，也最少。實際上，大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生，例如核反應堆發(fā)電（核裂變）、太陽發(fā)光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米100個。1998年，日本超神岡（Super-Kamiokande）實驗以確鑿的證據發(fā)現了中微子振蕩現象，即一種中微子能夠轉換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質量。此后，這一結果得到了許多實驗的證實。中微子振蕩尚未完全研究清楚，它不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一微中子即中微子中微子是一種難以捉摸的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們質量非常小，不帶電。太陽、宇宙線、核電站等都能產生大量中微子。它極難被探測，幾乎不與物質發(fā)生相互作用，被稱為“鬼粒子”，可以輕松地穿過人體、建筑，甚至地球，不帶來任何影響。所以，中微子在概念被提出26年后，科學家才在實驗室中第一次觀測到這種神秘粒子的存在。中微子不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源與演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成。中微子盡管曾被許多人認為是虛幻的，但它卻能夠做到如光線穿透窗玻璃那般穿透金屬鉛之類的厚重物質，并且在運動過程中有三分之一會發(fā)生從一種形態(tài)轉為另一種的振蕩現象。很多人認為，這些特性無疑將令規(guī)則嚴苛的愛因斯坦相對論在其面前失去部分效用。以前人們以為中微子是沒有質量的，永遠以光速飛行。1998年日本的超級神岡實驗發(fā)現它們可以從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振蕩，間接證明了它們具有微小的質量。不過這個質量非常非常小，到現在還沒有測出來，它們的飛行速度非常接近光速，到現在也沒有測出與光速的差別。由于它很難探測，是我們了解最少的基本粒子，現在還存在大量的未解之謎。正因為如此，在其它粒子都有大量證據證明嚴格遵守相對論時，也有不少人懷疑中微子會不會是個特例？[1]中微子的謎團中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質量尚未直接測到，大小未知；其次，它的反粒子是它自己還是另外一種粒子；第三，中微子振蕩還有兩個參數未測到，而這兩個參數很可能與宇宙中反物質缺失之謎有關；第四，它有沒有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉與熱點學科。[2]第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一歷史年表

1930年，德國科學家泡利預言中微子的存在。

1956年，美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962年，美國萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發(fā)現第二種中微子——繆中微子，獲1988年諾貝爾獎。

1968年，美國戴維斯發(fā)現太陽中微子失蹤，獲2002年諾貝爾獎。

1985年，日本神崗實驗和美國IMB實驗發(fā)現大氣中微子反?，F象。

1987年，日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

1989年，歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。

1995年，美國LSND實驗發(fā)現可能存在第四種中微子——隋性中微子。

1998年，日本超級神崗實驗以確鑿證據發(fā)現中微子振蕩現象。

2000年，美國費米實驗室發(fā)現第三種中微子，陶中微子。

2001年，加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子。

2002年，日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振蕩。

2003年，日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。

2006年，美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振蕩。

2007年，美國費米實驗室MiniBooNE實驗否定了LSND實驗的結果。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一β衰變第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一加拿大薩德伯里中微子實驗第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一液體閃爍器中微子探測器實驗第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一人民網北京3月9日電（記者王泓漓）大亞灣中微子實驗國際合作組發(fā)言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳8日在北京宣布，大亞灣中微子實驗發(fā)現了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。該發(fā)現被認為是對物質世界基本規(guī)律的一項新的認識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質消失之謎”。上海交通大學物理系主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東這樣闡釋這項研究的意義：“大亞灣實驗發(fā)現了電子中微子震蕩的新模式，這種模式的發(fā)現對了解為什么在物質遠遠多于反物質，對解釋太陽系中元素的豐度有極其重要的作用。在我們所觀察到的宇宙中，物質占主要地位，但為什么如此，到現在還沒有一個合理的解釋，大亞灣實驗的結果打開了一扇大門?！绷頁踬O芳透露，2002年，兩名美日科學家因發(fā)現大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩獲得了當年的諾貝爾物理學獎，但第三種振蕩一直未被發(fā)現。9年前，中科院高能所研究人員提出設想，利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩?！?003年左右，國際上先后有7個國家提出了8個實驗方案，最終有3個進入建設階段，這就包括咱們的大亞灣核電站?！蓖踬O芳稱，為搶在競爭對手之前獲得物理結果，科研人員將實驗分為兩個階段，此次結果便來自第一階段的數據。[3]第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一以下就是歷史上著名的中微子實驗：第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

1.日本Super-Kamiokande中微子實驗日本Super-Kamiokande中微子實驗中微子是一種極其微小的基本粒子。對于宇宙中的每一個質子或電子來說，可能都至少有10億個中微子?？茖W家們需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因為它們與物理學許多領域都存在緊密聯(lián)系。這種無處不在的粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內就開始存在，在元素的放射性衰變中、恒星的核反應中以及超新星爆炸過程中都會產生新的中微子。

美國費米實驗室“迷你升能器中微子實驗”項目發(fā)言人、物理學家比爾-路易斯介紹說，“它們是宇宙中的一種主要粒子，但我們至今對其知之甚少?！敝形⒆又噪y以理解，主要原因在于它們幾乎不能與其他物質結合。與常見的電子不同的是，中微子沒有電磁電荷；它們質量非常輕，以致于科學家們長期以來一直認為它們根本沒有質量。探測它們需要緊密監(jiān)測一大容器物質(如水)，中微子撞擊到其他粒子時，會產生可觀測到的變化。如，本圖所示的是日本Super-Kamiokande中微子實驗環(huán)境，研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個探測器由一個裝滿5萬噸水的大容器和11000多根光倍增管組成。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

2.β衰變β衰變科學家們最早是在β衰變過程中開始關注這種微型粒子的。20世紀初，研究人員注意到β衰變中的一些奇怪現象。如果釋放出來的粒子只有電子，那么β衰變這個過程似乎違背了物理學定律，即能量守恒和動量守恒。當時沒有人知道為什么會出現這種現象。然而，在每個新實驗結果中，違背物理學定律的證據變得越來越有力。20世紀30年代，物理學家沃爾夫岡-保羅開始懷疑，核衰變過程可能比此前認為的更復雜。如果一個原子在β衰變過程中也輻射出其他事物，那么這些違背物理學定律的矛盾就迎刃而解了。這種所謂的其他事物，應該就是中微子。但是，如果中微子存在，它們必須非常輕，而且難以交互。沒有人看到過符合這種條件的粒子，也沒有人想到較好的辦法去發(fā)現它們。在相當長一段時期內，科學家一直認為探測中微子是不可能的。第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

3.發(fā)現中微子實驗發(fā)現中微子實驗

1956年，研究中微子的物理學家們有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年內，美國人在原子武器項目中建起了多個核反應堆。許多研究人員認識到，這些核反應堆每秒每平方英寸內輻射出300萬億個中微子，因此可以用來探測中微子。盡管中微子很難與其他物質結合，但是也存在一種微弱的可能性，即存在足夠多的物質，一個中微子應該可以撞擊到某種事物。

在β衰變的反過程中，這種直接撞擊可以產生伽馬射線。當時，物理學家克萊德-科萬和弗里德里奇-雷恩斯研制一個探測器并置放到南卡羅來納州薩瓦那河電廠附近，只要反應堆開啟，他們的實驗就有可能首次探測到中微子。雖然科萬于1974年就已去世，但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎。本圖所示內容為，兩位科學家宣布發(fā)現中微子的電報。第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一4.加拿大薩德伯里中微子實驗加拿大薩德伯里中微子實驗幾乎所有的中微子都產生于太陽內部巨大的核反應堆中。天文學家希望能夠捕獲這些中微子，因為它們之中包含有太陽內部的重要信息。1964內，物理學家雷-戴維斯和天文學家約翰-巴卡爾在美國南達科塔州的霍姆斯塔克礦中建立起一個實驗環(huán)境用于發(fā)現這些中微子。這種探測器需要建于深深的地下，是因為闖入地球大氣層的宇宙射線可能會干擾實驗結果。

在霍姆斯塔克實驗環(huán)境建成并開始運行后，研究人員發(fā)現了一種奇特的現象。根據他們的計算，太陽的中微子應該比他們實際探測到的三倍還要多。因此，科學家們從頭再來，試圖尋找計算過程中的錯誤和漏洞，并更正估算結果。但是，他們仍然無法發(fā)現自己錯在哪里?；裟匪顾藢嶒炦\行了30多年，總是得出同樣的結果。天文學家懷疑自己的太陽模型可能是完全錯誤的。這一問題一直持續(xù)到上世紀90年代中期。這時，研究人員發(fā)現了中微子其實有三種不同的類型，β衰變過程中或太陽內部產生的中微子是電子中微子，而其他過程中產生的粒子則是緲子中微子與濤中微子，霍姆斯塔克實驗中探測到的就是電子中微子。在從太陽飛往地球的過程中，電子中微子會轉變成其他類型。因此，霍姆斯塔克實驗就無法探測到其他兩種中微子。

隨著新探測器的出現，三種中微子都被探測到，那這種謎團就不再存在。這一發(fā)現意義重大。此前，一些科學家認為中微子沒有質量，而不同類型中微子之間的轉變需要粒子擁有質量。2001年，加拿大薩德伯里中微子實驗室探測到所有三種來自太陽的中微子。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

5.IMB探測器IMB探測器上世紀80年代，科學家被一個與中微子無關的問題所困擾。一些理論家認為，被公認為穩(wěn)定的粒子--質子應該可以衰變成更輕的亞原子粒子。如果這一說法正確，那么這將是物理學家長期以來夢寐以求的結果，從而可以形成一個統(tǒng)一的理論，將電磁作用力、強作用力和弱作用力理論融合在一起。如果質子會衰變，這將會對地球上的生命造成很大的麻煩，人體內的原子可能混亂地轉變成其他元素。因此，理論家認為，質子可能會衰變，但速度極為緩慢，時間表甚至比宇宙年齡的20個數量級還要長。

為了驗證這一結論，科學家們在一個盛滿水的大容器中監(jiān)測質子的數量。為了保證實驗不受干擾，實驗環(huán)境必須建設于地下。闖入大氣層的宇宙射線也可能會產生中微子，這些中微子可能會進入地下。由于穿過探測器的中微子看起來非常像一個衰變的質子，因此研究人員需要弄清楚他們可能會看到多少中微子。在測量過程中，科學家們發(fā)現了非常怪異的現象。來自實驗環(huán)境以上的中微子要遠遠多于下部抵達的中微子，比例大約是2：1。歷經10年的困擾，科學家們終于發(fā)現，中微子在飛行過程中，來自地底的中微子有時間轉變成不同類型的中微子，由于實驗設備只對一種中微子敏感，因此就錯過了發(fā)生變異的其他中微子。這一發(fā)現證明了中微子在長距離飛行過程中會發(fā)生性質的轉變。

本來用于探測質子的實驗，發(fā)現了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然沒有人能夠發(fā)現質子衰變。本圖所示，一名潛水員在俄亥俄州的IMB探測器中游泳。這個探測器建造于上世紀80年代初，本來用于探測質子是否衰變，反而幫助科學家發(fā)現了大氣中微子的振蕩。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

6.液體閃爍器中微子探測器實驗液體閃爍器中微子探測器實驗

1993年，科學家們在洛斯阿爾莫斯國家實驗室中建造了液體閃爍器中微子探測器。他們的目標就是弄清楚中微子是否能夠從一種類型轉變成另一種類型。液體閃爍器中微子探測器的著名之處在于它發(fā)現了電子反中微子。對于這一怪異的發(fā)現，最好的解釋就是新的物理學發(fā)現。液體閃爍器中微子探測器的發(fā)現表明可能存在第四種或更多類型的中微子。第四種中微子的存在將對現有的粒子物理學模型發(fā)起巨大的挑戰(zhàn)，但它也可以用來解釋某些未解謎團，如超新星爆炸的細節(jié)等。不過，許多研究人員仍然對液體閃爍器中微子探測器的發(fā)現持懷疑態(tài)度，這一發(fā)現又成為中微子物理學中的一大謎團。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一7.迷你升能器中微子實驗迷你升能器中微子實驗從2002年起，美國費米實驗室科學家開始啟動新的探測實驗--“迷你升能器中微子實驗”，該實驗的目的就是證實或否定液體閃爍器中微子探測器實驗的發(fā)現成果。他們最初的結果似乎證明液體閃爍器中微子探測器實驗結果有誤，但是進一步的實驗數據發(fā)生了變化。“迷你升能器中微子實驗”項目發(fā)言人、物理學家比爾-路易斯介紹說，“現在看起來，迷你升能器中微子實驗與液體閃爍器中微子探測器實驗的結果是一致的?！眱纱髮嶒灥慕Y果表明，仍然存在許多怪異現象。中微子科學家們需要建造更多的探測器和實驗設施去解答這些謎團。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一

8.長基線中微子實驗長基線中微子實驗為了完全揭開中微子之謎，科學家們需要新一代的探測設備。美國科學家們希望能夠獲批建造長基線中微子實驗設施，他們通過這一實驗或將能夠回答一個深奧的問題：宇宙為什么是由物質組成的，而不是反物質。這一設施將產生世界上強度最高的中微子束，并將它從美國費米實驗室發(fā)送到南達科塔州的霍姆斯塔克礦中。盡管這一實驗設施尚未正式獲得批準建設，但該實驗已吸引了400多名科學家簽約加盟。本圖所示為長基線中微子實驗示意圖。(3月8日，我國大亞灣中微子實驗國際合作組宣布，發(fā)現新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。鑒于這一結果將對中微子物理未來發(fā)展起決定性作用，連日來，大量國外科學媒體對該事件進行了報道及評論。就在中方消息發(fā)布及論文公開當天，英國《自然》雜志在線版以《對中微子震蕩的創(chuàng)紀錄式精密測量》為題，介紹了實驗相關的詳細情況。文章稱：“幽靈般的亞原子中微子，從一個形態(tài)轉化為另一個形態(tài)——即中微子振蕩的幾率，這個曾經可望而不可及的參數，現已被首次精確地測量?！蔽恼略绹又輨趥愃埂げ死麌覍嶒炇胰藛T、大亞灣中微子實驗項目和業(yè)務經理威廉·愛德華茲的話稱：“這是一個莫大的驚喜?！蓖瑯觼碜栽搶嶒炇业暮献靼l(fā)言人陸錦彪（音）表示：“現在知道它（θ13）非零，我們可以繼續(xù)向前走，以找尋CP破壞?！钡?1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一同在3月8日，美國《科學》雜志在線版“科學此刻”欄目發(fā)表文章《中國物理學家揭露中微子測量的關鍵》。在開篇中將中微子比喻成“難以捉摸的、亞原子世界的變色龍”。文章評價：“此次成果完成了一幅中微子的概念圖?！辈⒎Q“這為‘中微子與反中微子行為間不對稱’的實驗鋪平了道路。其將可以解釋為何現在的宇宙中有如此多的物質，卻只有那么一丁點兒的反物質這一問題”。該文章明確指出：“θ13非零的事實，將使中微子物理學界在未來10年左右收獲豐厚?！倍鴧⑴c大亞灣項目、來自托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗裝置的羅伯特·麥基翁對《科學》網站表示，大亞灣實驗結果之所以蔚為顯著，另一個原因則在于“這可以說是中國有史以來最重要的物理學成果”。該文章最后稱：“看似，中國粒子物理的時代業(yè)已到來。”美國物理學家組織網早在3月1日就發(fā)布消息稱《大亞灣中微子實驗結果或超預期》，3月8日，在中方將論文公布的第一時間又發(fā)布了《大亞灣實驗發(fā)現中微子轉換的新類型》，并指出該結果解決了一個“長期存在的、難以捉摸的謎題”。物理學家組織網引用美國能源部高能物理科學副主任詹姆斯·西格里斯特的話稱：“是模范的團隊合作引領了這次出色的表現。成果極其顯著，但對這個世上最為重要的反應堆中微子實驗來說，不過是個開端?！庇缎驴茖W家》雜志在線版3月9日以《中微子或有助解釋失蹤的反物質》為題，發(fā)布了實驗相關消息。威斯康星大學麥迪遜分校的弗朗西斯·哈澤恩在采訪中稱：“（實驗結果）表明θ13相當的大?！倍@“意味著物理學家們現在可以構建實驗，來找出為何中微子與反中微子的行為不同的答案。如果θ13太小則沒這個可能”。在文章最后，哈澤恩表示：“θ13之‘大’可以說是帶來了希望——這個幾乎令人驚異的實驗結果使中微子物理學堅定地駛上了快車道。而我們現在知道，已可以移步至下一個前沿陣地了?！泵绹睹咳仗铡肪W站的報道側重在該結果對宇宙學理論的影響。文章稱，θ13的發(fā)現可能有助于解決一些有關宇宙的最大謎團，諸如為何現在的宇宙物質比反物質更多的現象，其關乎恒星、行星、人類甚至現今存在的所有一切。盡管“小小中微子世界微妙的不平衡，看似不可能對人類有太大影響，但發(fā)現中微子和反中微子之間的不平衡關系，卻可以讓我們了解所有關于宇宙早期形成的關鍵”。美國費米實驗室和斯坦福直線粒子加速器聯(lián)合出版的《對稱》雜志，以《大亞灣實驗產生關鍵性測量，為未來的發(fā)現鋪平道路》為題，細致的描述了實驗情況及中微子相關研究。文章作者稱，無論運行速度是否真的比光快，中微子都是令人著迷的神秘粒子?！叭藗冊缫呀浤軌蚬浪阒形⒆觾煞N形態(tài)轉變發(fā)生的幾率。但對于另一種，也是最為罕見的形態(tài)，依然束