中微子，開啟通向新物理學的大門

曹俊

盡管每秒有上萬億個中微子穿過人們的身體，但是人們很難發(fā)現(xiàn)它的蹤影。

宇宙誕生于138億年前。根據(jù)已知的物理規(guī)律，在宇宙早期，正反物質(zhì)應該成對產(chǎn)生，是一樣多的?？墒俏覀儸F(xiàn)在的宇宙中，并沒有發(fā)現(xiàn)大量反物質(zhì)存在的跡象。那么反物質(zhì)哪里去了？這是宇宙起源必須回答的關鍵問題。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是我們了解最少的粒子。我們知道，組成物質(zhì)世界的最基本的粒子共有12種，包括6種夸克和6種輕子。有三種輕子是中微子，分別是電子中微子、繆中微子和陶中微子。它們不構成普通的物質(zhì)，但無處不在。宇宙誕生的第一秒就產(chǎn)生了無數(shù)的中微子并存留至今，在整個宇宙空間中均勻分布，每立方厘米有330個。連每個人也會因體內(nèi)的鉀-40衰變而每天發(fā)射約4億個中微子。

中微子最大的特點就是幾乎不與任何物質(zhì)反應。我們感覺不到它的存在，科學上探測也極為困難。1930年奧地利科學家泡利就預言了中微子的存在，但是過了整整26年，才由美國科學家科萬和雷因斯在核反應堆旁探測到中微子。

地球上任何一塊指甲大小的地方，每秒鐘就有600億個太陽中微子穿過。但是，要想探測太陽中微子，“相當于在整個撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。1967年，美國科學家戴維斯在地下1500米深的廢棄金礦中進行實驗，探測到了來自太陽的中微子。日本的小柴昌俊退休前幾周，他所在的神岡實驗碰巧探測到了超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子，這也是迄今為止唯一的一次。小柴昌俊因而與戴維斯分享了2002年諾貝爾物理學獎。

大亞灣中微子實驗站安裝場景，4個110噸重的中微子探測器浸泡在2000噸純凈水中。研究人員正在向水池中注入純凈水。

很早就有人提出，假如中微子有微小的質(zhì)量，就可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。比如反應堆產(chǎn)生電子反中微子，以接近光速飛離反應堆后，開始變成另外兩種中微子，在2公里左右達到極大值，然后開始變回原來的中微子，像波一樣振蕩。這是一種在宏觀上表現(xiàn)出來的量子干涉現(xiàn)象。

2003年，我國科學家開始計劃利用大亞灣核電站發(fā)出的中微子，尋找大氣中微子和太陽中微子振蕩以外的第三種振蕩模式。該振蕩大小由參數(shù)θ13描述。上世紀九十年代的兩個反應堆中微子實驗未能發(fā)現(xiàn)該振蕩，說明θ13很小。而它的大小與宇宙起源中的“反物質(zhì)消失之謎”相關，也決定未來中微子研究的發(fā)展方向，因此具有重要的科學意義。大亞灣的核電站共有6個反應堆，總功率大，釋放的中微子多;附近有山，適合建立地下實驗室，屏蔽宇宙線本底，因此具有地理優(yōu)勢。加上獨特的設計，大亞灣方案吸引了美、俄、捷以及港臺的科學家參加，其中美國提供了三分之一的實驗經(jīng)費，是美國能源部在國外投資的第二大科研項目。

經(jīng)過8年的準備和建設。2012年3月8日，大亞灣中微子實驗在激烈的國際競爭中率先發(fā)現(xiàn)了這種新的振蕩，測到了相關的振蕩參數(shù)θ13，發(fā)現(xiàn)它雖然遠小于大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩，但比最初估計的要大得多，這為未來的中微子研究打開了大門。

中微子研究已經(jīng)4次獲得諾貝爾獎，但仍然存在很多謎團。中微子振蕩現(xiàn)象間接證明了中微子有質(zhì)量，但我們至今也沒能測量到它的質(zhì)量大小，也不確定在理論上怎么描述，一般認為中微子可能是粒子物理新理論的突破口。

背景簡介：

2012年我國大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩，入選美國《科學》雜志當年十大科學突破，被授予2016年度“科學突破獎”。江門中微子實驗瞄準下一個熱點前沿——中微子質(zhì)量順序問題，預期2020年建成。