中微子研究，向著未來奔跑

何晶　陳珂

大亞灣中微子實驗大廳

歷史總是在某些時間的交匯點上做一些標注，讓它更為顯眼一點。而2015年對于中微子研究來說，的確值得強調(diào)一下。

2015年10月，當年的“諾貝爾物理學獎”授予了56歲的日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納。梶田的獲獎理由，是發(fā)現(xiàn)基本粒子中微子存在質量。這已經(jīng)是日本憑借中微子研究獲得諾貝爾獎的第二位科學家了。而在全世界范圍內(nèi)，與中微子直接相關的科學研究更是獲得了4次諾貝爾物理學獎。

2015年的12月，中國科學院高能物理研究所所長王貽芳當選為中國科學院院士。也就在這一年，江門中微子實驗開始建設，并將于2021年左右完成，計劃運行20至30年。

“隱身人”中微子

我們首先都會問的一個問題就是——中微子到底是什么？

中微子，是構成物質世界的最基本的粒子之一。在構成物質世界的12個最基本的粒子當中，中微子占了其中的3個。我們的宇宙產(chǎn)生于137億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸時，在第一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了無數(shù)的中微子，它們攜帶了比光更早期的宇宙信息。在整個宇宙中，中微子的數(shù)量僅次于光子，是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。它不帶電，質量非常輕，以接近光速運動，與其他基本粒子之間的相互作用十分微弱，被戲稱為宇宙中的“隱身人”。

中國科學院高能所研究員曹俊在題為《中微子研究的歷史與未來》的論文里寫道：我們身邊的中微子其實非常多，例如一個典型的核反應堆每秒鐘產(chǎn)生6萬億億個中微子，每秒鐘有?3億億個太陽中微子穿過每個人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子更是在整個宇宙空間內(nèi)多達330個每立方厘米。大多數(shù)核過程都會產(chǎn)生中微子，例如宇宙線轟擊大氣、巖石的天然放射性、超新星爆炸等等，連每個人都會因體內(nèi)的鉀40衰變而每天產(chǎn)生4億個中微子。

其實人類對于中微子的研究也不過才幾十年。

上世紀30年代，奧地利著名科學家沃爾夫岡·泡利提出存在中微子的假說，他還推斷出中微子就像一個幽靈，能穿過整個地球而不和其他物質發(fā)生相互作用。做出這個推斷之后，他寫信給朋友說他犯了一個物理學家所能犯的最大錯誤：假設了一個不能用實驗發(fā)現(xiàn)的粒子的存在。他還以一箱香檳酒作為賭注，擔保沒有人能觀測到中微子。

但到1956年，人類真正在實驗中發(fā)現(xiàn)了中微子——美國物理學家萊因斯和科溫在地下實驗室，通過觀察核反應堆，設法“看見”了第一個中微子。他們第一時間從美國給遠在歐洲核子中心的泡利發(fā)了封電報。泡利中斷了正在進行的會議，當眾宣讀了這封電報，然后跟朋友們喝掉了那箱香檳。弗雷德里克·萊因斯因此在1995年獲得了諾貝爾獎。

到了1962年，人類又發(fā)現(xiàn)了第二種中微子。隨后，中微子研究不斷發(fā)展成為粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉前沿學科。

對于經(jīng)常被問及中微子研究有什么用，王貽芳對《中國報道》記者說：“我相信對我們而言，周圍的世界令人著迷，我們想知道它是由什么構成的，也想知道這個世界究竟是什么樣。它會對生活有所幫助，也蘊含著哲學趣味?！?/p>

美國費米實驗室的科學家在2012年曾利用一個實驗裝置，成功地用中微子實現(xiàn)了通信。由于中微子可以幾乎不受阻擋地直線穿過物質，這種通信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，它能真正變成實用的通信方式。還有人提出，可以用中微子來給地球做CT，或者探測石油……100多年前，原子核的衰變被發(fā)現(xiàn)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。而中微子如今還只是存在于科學家的研究里，但隨著研究的不斷深入、更多謎團被揭曉，中微子也許將深刻地影響未來。

從大亞灣起步

我國的中微子實驗研究起步很晚， 但取得了舉世矚目的成績。

上世紀60年代，意大利物理學家布魯諾·龐蒂科夫提出了中微子振蕩的概念。他認為某一種特定中微子可以轉化為別的中微子，人們所探測到的中微子可能只是處于某種形態(tài)的中微子的一部分。直到1998年，日本的超級神岡實驗以確鑿的證據(jù)證明龐蒂科夫理論的正確性，它以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。

中微子共有3種類型，它的脾性非常奇怪，“一種中微子在飛行中能自發(fā)變成其他種類的中微子?！边@也就是專家們所說的“中微子振蕩”——你可以想象有一群馬在奔跑，一會兒變成一群牛，一會兒又變成一群羊，一會兒又變成一群馬。而中微子的3種振蕩模式，此前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種（即太陽和大氣中微子振蕩現(xiàn)象），第三種振蕩模式一直沒有被發(fā)現(xiàn)。

而尋找第三種振蕩模式也正成為中微子研究的新熱點。

2001年，王貽芳接到中國科學院高能所的邀請回國了。在此前一年，他得知國家科教領導小組在2000年審議并原則通過了中國科學院提交的《我國高能物理和先進加速器發(fā)展目標》，確定了中國高能物理和先進加速器的發(fā)展戰(zhàn)略。這意味著，中國的高能物理研究開始進入一個新的發(fā)展階段。曹俊2003年從美國費米實驗室回國，實際上，高能所的中微子項目從他以后主要以培養(yǎng)國內(nèi)人才為主。曹俊接受媒體采訪時說，“因為我們自己培養(yǎng)的學生也成才了，也很優(yōu)秀”。

據(jù)王貽芳回憶，2003年，國際上開始熱烈討論利用反應堆中微子來測量中微子第三種振蕩模式的混合角，而且國際上已經(jīng)有好幾個團隊打算進行同類實驗?！拔耶敃r的第一反應是中微子研究將是一場競爭激烈的賽跑，最終看誰跑得快，精度高?！边@就要求必須對實驗、布局、檢測器、技術等進行創(chuàng)新設計，實際上這也是實驗中最具挑戰(zhàn)性的部分?！拔覀兿敕皆O法地提出了一套真正的、創(chuàng)新的設計，并對這種振蕩的探索進行了世上最精確的實驗?！?/p>