米德

注滿純水的日本超級神岡中微子探測實驗室

南極的阿蒙森-斯科特冰立方中微子觀測站

2011年8月，深圳大亞灣中微子實驗室。兩個直徑5米、高5米、重110噸的中微子探測器成功安裝在巨型水池之中，水池已逐步灌滿超純水。

“幽靈”是何方神圣？

我們的宇宙產(chǎn)生于137億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸在一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了無數(shù)的中微子。宇宙大爆炸初期，由于光子無法擺脫引力外逃，而中微子卻與物質(zhì)不發(fā)生任何作用，可以暢行無阻。所以，它們攜帶了比光更早的宇宙信息走到了現(xiàn)在。由于中微子難以探測，所以被科學(xué)界稱之為“幽靈粒子”。

科學(xué)家相信，宇宙在大爆炸之初，同時產(chǎn)生了物質(zhì)世界和反物質(zhì)世界，只是反物質(zhì)后來消失了。它消失到哪里去了？要揭示反物質(zhì)世界的消失之謎，就要從現(xiàn)存的物質(zhì)世界中找尋蛛絲馬跡，而科學(xué)家普遍認(rèn)為，廣泛存在于物質(zhì)世界中的中微子，就包含了反物質(zhì)世界是如何消失的重大信息。

誰發(fā)現(xiàn)了“幽靈”？

因為中微子在基本粒子理論中的重要地位和在天文觀測中扮演著特殊角色，對中微子的研究雖然很困難，但一直吸引著科學(xué)家。

中微子的發(fā)現(xiàn)來自19世紀(jì)末20世紀(jì)初對放射性的研究。研究者發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)在β衰變過程中，有一部分能量失蹤了。物理學(xué)上著名的哥本哈根學(xué)派領(lǐng)袖尼爾斯·玻爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個假說，認(rèn)為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以致儀器很難探測到。

1931年春，國際核物理會議在羅馬召開，與會者中有海森堡、泡利、居里夫人等，當(dāng)時泡利將這種粒子命名為“中子”，最初他以為這種粒子原來就存在于原子核中。同年，泡利在美國物理學(xué)會的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在于原子核中，而是衰變產(chǎn)生的。泡利預(yù)言的這個竊走能量的“小偷”就是中微子。

1932年真正的中子被發(fā)現(xiàn)，意大利物理學(xué)家費米將泡利的“中子”正名為“中微子”。1995年，美國物理學(xué)家柯萬和萊因斯等第一次通過實驗直接探測到了中微子 ，他們因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

“幽靈”地下實驗室

光在星際傳播時會受時空的影響而轉(zhuǎn)彎，而中微子不會。因此中微子探測器都建在地下，以此來阻擋其他輻射源的干擾。目前世界上有好幾個國家都建立了中微子地下實驗室。

較早的有加拿大薩德伯里中微子觀測站，建于上世紀(jì)80年代，主體建在1600米深的地下。在其核心部位的巨型塑料球體內(nèi)填充著800噸特殊的物質(zhì)，稱為液體閃爍體。整個球體被“水殼”所環(huán)繞，被約一萬個極其敏感的光檢測器監(jiān)控著，也就是光電倍增管 。當(dāng)中微子與探測器中的其他粒子發(fā)生接觸時，可在液體閃爍體中制造出光，而光電倍增管能夠?qū)Υ诉M行捕捉。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)了中微子的三種形態(tài)。

世界最大的中微子觀測站是建在南極的阿蒙森-斯科特冰立方中微子觀測站。有多達5160個探測器分布在南極的冰層之下，以尋找源自宇宙中諸如恒星爆炸、黑洞和中子星等極端事件產(chǎn)生的高能中微子。據(jù)報道，當(dāng)中微子闖入冰層中的水分子時，會產(chǎn)生一種錐形輝光，即切連科夫輻射，這正是冰立方探測器要捕捉的東西?？茖W(xué)家們希望借此還原中微子的運行路徑，辨認(rèn)它們的來源。

日本的大型中微子探測器是超級神岡探測器，是在日本西部神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的。巨大的探測器中包含五萬噸純水，以及近11200個光電倍增管。與冰立方相似，神岡探測器也通過切連科夫輻射來捕捉中微子。1998年，神岡探測器率先發(fā)現(xiàn)中微子振蕩的證據(jù)，并揭示出中微子也有微小的質(zhì)量。

我國大亞灣的山區(qū)內(nèi)埋藏著三個中微子實驗廳。其中8個柱形探測器每個都包含著20噸的液體閃爍體，周圍則有上千個光電倍增管。它們被置入純水池中，以阻擋任何環(huán)境中的輻射。附近的一組核反應(yīng)堆不斷地產(chǎn)生著巨量的電子反中微子。這些反中微子接觸到液體閃爍體，釋放出輝光，并由光電倍增管捕捉。

未來應(yīng)用

奇妙的中微子，現(xiàn)在我們能夠產(chǎn)生它、探測它，那么能不能在日常生活中用上它呢？美國費米實驗室的科學(xué)家利用一個試驗裝置，成功地用中微子應(yīng)用于通訊，誤碼率百分之一。由于中微子可以幾乎不受阻擋地直線穿過物質(zhì)，這種通訊不會受海水和地層的阻擋，也無法干擾、攔截和破解。也許有一天，它能變成實用的通訊方式。

不過在科學(xué)家眼中，基礎(chǔ)研究的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的實用性。100多年前居里夫人發(fā)現(xiàn)原子核的衰變時，也無人知曉這將意味著什么，今天核能的利用已經(jīng)深刻地改變了世界。今天無比神秘的中微子還只是在象牙塔里，隨著人類對自然界認(rèn)識的不斷深入，中微子的更多謎團被揭曉的那天，也許將深刻地影響未來。