1.日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)

中微子是一種極其微小的基本粒子。對(duì)于宇宙中的每一個(gè)質(zhì)子或電子來(lái)說(shuō)，可能都至少有10億個(gè)中微子?？茖W(xué)家們需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因?yàn)樗鼈兣c物理學(xué)許多領(lǐng)域都存在緊密聯(lián)系。這種無(wú)處不在的粒子從宇宙大爆炸后幾毫秒內(nèi)就開(kāi)始存在，在元素的放射性衰變中、恒星的核反應(yīng)中以及超新星爆炸過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生新的中微子。

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室“迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說(shuō)，“它們是宇宙中的一種主要粒子，但我們至今對(duì)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(zhì)結(jié)合。與常見(jiàn)的電子不同的是，中微子沒(méi)有電磁電荷；它們質(zhì)量非常輕，以致于科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為它們根本沒(méi)有質(zhì)量。探測(cè)它們需要緊密監(jiān)測(cè)一大容器物質(zhì)(如水)，中微子撞擊到其他粒子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)到的變化。如，本圖所示的是日本Super-Kamiokande中微子實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究人員正坐著一艘小船行駛于其中。這個(gè)探測(cè)器由一個(gè)裝滿5萬(wàn)噸水的大容器和11000多根光倍增管組成。

2.β衰變

科學(xué)家們最早是在β衰變過(guò)程中開(kāi)始關(guān)注這種微型粒子的。20世紀(jì)初，研究人員注意到β衰變中的一些奇怪現(xiàn)象。如果釋放出來(lái)的粒子只有電子，那么β衰變這個(gè)過(guò)程似乎違背了物理學(xué)定律，即能量守恒和動(dòng)量守恒。當(dāng)時(shí)沒(méi)有人知道為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。然而，在每個(gè)新實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，違背物理學(xué)定律的證據(jù)變得越來(lái)越有力。

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家沃爾夫?qū)?保羅開(kāi)始懷疑，核衰變過(guò)程可能比此前認(rèn)為的更復(fù)雜。

如果一個(gè)原子在β衰變過(guò)程中也輻射出其他事物，那么這些違背物理學(xué)定律的矛盾就迎刃而解了。這種所謂的其他事物，應(yīng)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(méi)有人看到過(guò)符合這種條件的粒子，也沒(méi)有人想到較好的辦法去發(fā)現(xiàn)它們。

在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，科學(xué)家一直認(rèn)為探測(cè)中微子是不可能的。

3.發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)

1956年，研究中微子的物理學(xué)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(nèi)，美國(guó)人在原子武器項(xiàng)目中建起了多個(gè)核反應(yīng)堆。許多研究人員認(rèn)識(shí)到，這些核反應(yīng)堆每秒每平方英寸內(nèi)輻射出300萬(wàn)億個(gè)中微子，因此可以用來(lái)探測(cè)中微子。盡管中微子很難與其他物質(zhì)結(jié)合，但是也存在一種微弱的可能性，即存在足夠多的物質(zhì)，一個(gè)中微子應(yīng)該可以撞擊到某種事物。

在β衰變的反過(guò)程中，這種直接撞擊可以產(chǎn)生伽馬射線。當(dāng)時(shí)，物理學(xué)家克萊德-科萬(wàn)和弗里德里奇-雷恩斯研制一個(gè)探測(cè)器并置放到南卡羅來(lái)納州薩瓦那河電廠附近，只要反應(yīng)堆開(kāi)啟，他們的實(shí)驗(yàn)就有可能首次探測(cè)到中微子。雖然科萬(wàn)于1974年就已去世，但雷因斯卻因此于1995年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。

4.加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)

幾乎所有的中微子都產(chǎn)生于太陽(yáng)內(nèi)部巨大的核反應(yīng)堆中。天文學(xué)家希望能夠捕獲這些中微子，因?yàn)樗鼈冎邪刑?yáng)內(nèi)部的重要信息。1964內(nèi)，物理學(xué)家雷-戴維斯和天文學(xué)家約翰-巴卡爾在美國(guó)南達(dá)科塔州的霍姆斯塔克礦中建立起一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境用于發(fā)現(xiàn)這些中微子。這種探測(cè)器需要建于深深的地下，是因?yàn)殛J入地球大氣層的宇宙射線可能會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)環(huán)境建成并開(kāi)始運(yùn)行后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象。根據(jù)他們的計(jì)算，太陽(yáng)的中微子應(yīng)該比他們實(shí)際探測(cè)到的三倍還要多。因此，科學(xué)家們從頭再來(lái)，試圖尋找計(jì)算過(guò)程中的錯(cuò)誤和漏洞，并更正估算結(jié)果。但是，他們?nèi)匀粺o(wú)法發(fā)現(xiàn)自己錯(cuò)在哪里。霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)運(yùn)行了30多年，總是得出同樣的結(jié)果。天文學(xué)家懷疑自己的太陽(yáng)模型可能是完全錯(cuò)誤的。這一問(wèn)題一直持續(xù)到上世紀(jì)90年代中期。這時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)了中微子其實(shí)有三種不同的類(lèi)型，β衰變過(guò)程中或太陽(yáng)內(nèi)部產(chǎn)生的中微子是電子中微子，而其他過(guò)程中產(chǎn)生的粒子則是緲子中微子與濤中微子，霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的就是電子中微子。在從太陽(yáng)飛往地球的過(guò)程中，電子中微子會(huì)轉(zhuǎn)變成其他類(lèi)型。因此，霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)就無(wú)法探測(cè)到其他兩種中微子。

隨著新探測(cè)器的出現(xiàn)，三種中微子都被探測(cè)到，那這種謎團(tuán)就不再存在。這一發(fā)現(xiàn)意義重大。此前，一些科學(xué)家認(rèn)為中微子沒(méi)有質(zhì)量，而不同類(lèi)型中微子之間的轉(zhuǎn)變需要粒子擁有質(zhì)量。2001年，加拿大薩德伯里中微子實(shí)驗(yàn)室探測(cè)到所有三種來(lái)自太陽(yáng)的中微子。

5.IMB探測(cè)器

上世紀(jì)80年代，科學(xué)家被一個(gè)與中微子無(wú)關(guān)的問(wèn)題所困擾。一些理論家認(rèn)為，被公認(rèn)為穩(wěn)定的粒子--質(zhì)子應(yīng)該可以衰變成更輕的亞原子粒子。如果這一說(shuō)法正確，那么這將是物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)夢(mèng)寐以求的結(jié)果，從而可以形成一個(gè)統(tǒng)一的理論，將電磁作用力、強(qiáng)作用力和弱作用力理論融合在一起。如果質(zhì)子會(huì)衰變，這將會(huì)對(duì)地球上的生命造成很大的麻煩，人體內(nèi)的原子可能混亂地轉(zhuǎn)變成其他元素。因此，理論家認(rèn)為，質(zhì)子可能會(huì)衰變，但速度極為緩慢，時(shí)間表甚至比宇宙年齡的20個(gè)數(shù)量級(jí)還要長(zhǎng)。

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，科學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)盛滿水的大容器中監(jiān)測(cè)質(zhì)子的數(shù)量。為了保證實(shí)驗(yàn)不受干擾，實(shí)驗(yàn)環(huán)境必須建設(shè)于地下。闖入大氣層的宇宙射線也可能會(huì)產(chǎn)生中微子，這些中微子可能會(huì)進(jìn)入地下。由于穿過(guò)探測(cè)器的中微子看起來(lái)非常像一個(gè)衰變的質(zhì)子，因此研究人員需要弄清楚他們可能會(huì)看到多少中微子。在測(cè)量過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了非常怪異的現(xiàn)象。來(lái)自實(shí)驗(yàn)環(huán)境以上的中微子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于下部抵達(dá)的中微子，比例大約是2：1。歷經(jīng)10年的困擾，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)，中微子在飛行過(guò)程中，來(lái)自地底的中微子有時(shí)間轉(zhuǎn)變成不同類(lèi)型的中微子，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備只對(duì)一種中微子敏感，因此就錯(cuò)過(guò)了發(fā)生變異的其他中微子。這一發(fā)現(xiàn)證明了中微子在長(zhǎng)距離飛行過(guò)程中會(huì)發(fā)生性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

本來(lái)用于探測(cè)質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然沒(méi)有人能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變。本圖所示，一名潛水員在俄亥俄州的IMB探測(cè)器中游泳。這個(gè)探測(cè)器建造于上世紀(jì)80年代初，本來(lái)用于探測(cè)質(zhì)子是否衰變，反而幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。

6.液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)

1993年，科學(xué)家們?cè)诼逅拱柲箛?guó)家實(shí)驗(yàn)室中建造了液體閃爍器中微子探測(cè)器。他們的目標(biāo)就是弄清楚中微子是否能夠從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)變成另一種類(lèi)型。液體閃爍器中微子探測(cè)器的著名之處在于它發(fā)現(xiàn)了電子反中微子。對(duì)于這一怪異的發(fā)現(xiàn)，最好的解釋就是新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)。液體閃爍器中微子探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)表明可能存在第四種或更多類(lèi)型的中微子。第四種中微子的存在將對(duì)現(xiàn)有的粒子物理學(xué)模型發(fā)起巨大的挑戰(zhàn)，但它也可以用來(lái)解釋某些未解謎團(tuán)，如超新星爆炸的細(xì)節(jié)等。不過(guò)，許多研究人員仍然對(duì)液體閃爍器中微子探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，這一發(fā)現(xiàn)又成為中微子物理學(xué)中的一大謎團(tuán)。

7.迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)

從2002年起，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家開(kāi)始啟動(dòng)新的探測(cè)實(shí)驗(yàn)--“迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)的目的就是證實(shí)或否定液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)成果。他們最初的結(jié)果似乎證明液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤，但是進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化?！懊阅闵芷髦形⒆訉?shí)驗(yàn)”項(xiàng)目發(fā)言人、物理學(xué)家比爾-路易斯介紹說(shuō)，“現(xiàn)在看起來(lái)，迷你升能器中微子實(shí)驗(yàn)與液體閃爍器中微子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的?！眱纱髮?shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，仍然存在許多怪異現(xiàn)象。中微子科學(xué)家們需要建造更多的探測(cè)器和實(shí)驗(yàn)設(shè)施去解答這些謎團(tuán)。

8.長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)

為了完全揭開(kāi)中微子之謎，科學(xué)家們需要新一代的探測(cè)設(shè)備。美國(guó)科學(xué)家們希望能夠獲批建造長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)施，他們通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)或?qū)⒛軌蚧卮鹨粋€(gè)深?yuàn)W的問(wèn)題：宇宙為什么是由物質(zhì)組成的，而不是反物質(zhì)。這一設(shè)施將產(chǎn)生世界上強(qiáng)度最高的中微子束，并將它從美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)送到南達(dá)科塔州的霍姆斯塔克礦中。盡管這一實(shí)驗(yàn)設(shè)施尚未正式獲得批準(zhǔn)建設(shè)，但該實(shí)驗(yàn)已吸引了400多名科學(xué)家簽約加盟。