神奇的中微子

•中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。•中微子的观测•中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力，能穿越地球直径那么厚的物质。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒子，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个。1998年，日本超神冈（Super-Kamiokande）实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量。此后，这一结果得到了许多实验的证实。中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。•微中子即中微子•中微子是一种难以捉摸的基本粒子，有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们质量非常小，不带电。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子。它极难被探测，几乎不与物质发生相互作用，被称为“鬼粒子”，可以轻松地穿过人体、建筑，甚至地球，不带来任何影响。所以，中微子在概念被提出26年后，科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子的存在。中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。•中微子尽管曾被许多人认为是虚幻的，但它却能够做到如光线穿透窗玻璃那般穿透金属铅之类的厚重物质，并且在运动过程中有三分之一会发生从一种形态转为另一种的振荡现象。很多人认为，这些特性无疑将令规则严苛的爱因斯坦相对论在其面前失去部分效用。•以前人们以为中微子是没有质量的，永远以光速飞行。1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡，间接证明了它们具有微小的质量。不过这个质量非常非常小，到现在还没有测出来，它们的飞行速度非常接近光速，到现在也没有测出与光速的差别。由于它很难探测，是我们了解最少的基本粒子，现在还存在大量的未解之谜。正因为如此，在其它粒子都有大量证据证明严格遵守相对论时，也有不少人怀疑中微子会不会是个特例？[1]•中微子的谜团•中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到，大小未知；其次，它的反粒子是它自己还是另外一种粒子；第三，中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关；第四，它有没有磁矩；等等。因此，中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。[2]•历史年表•1930年，德国科学家泡利预言中微子的存在。•1956年，美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，莱因斯获1995年诺贝尔奖。•1962年，美国莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子——缪中微子，获1988年诺贝尔奖。•1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获2002年诺贝尔奖。•1985年，日本神岗实验和美国IMB实验发现大气中微子反常现象。•1987年，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。日本小柴昌俊获2002年诺贝尔奖。•1989年，欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子。•1995年，美国LSND实验发现可能存在第四种中微子——隋性中微子。•1998年，日本超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象。•2000年，美国费米实验室发现第三种中微子，陶中微子。•2001年，加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。•2002年，日本KamLAND实验用反应堆证实太阳中微子振荡。•2003年，日本K2K实验用加速器证实大气中微子振荡。•2006年，美国MINOS实验进一步用加速器证实大气中微子振荡。•2007年，美国费米实验室MiniBooNE实验否定了LSND实验的结果。β衰变加拿大萨德伯里中微子实验液体闪烁器中微子探测器实验•人民网北京3月9日电（记者王泓漓）大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳8日在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该发现被认为是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。•上海交通大学物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东这样阐释这项研究的意义：“大亚湾实验发现了电子中微子震荡的新模式，这种模式的发现对了解为什么在物质远远多于反物质，对解释太阳系中元素的丰度有极其重要的作用。在我们所观察到的宇宙中，物质占主要地位，但为什么如此，到现在还没有一个合理的解释，大亚湾实验的结果打开了一扇大门。”•另据王贻芳透露，2002年，两名美日科学家因发现大气中微子振荡、太阳中微子振荡获得了当年的诺贝尔物理学奖，但第三种振荡一直未被发现。9年前，中科院高能所研究人员提出设想，利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。“2003年左右，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案，最终有3个进入建设阶段，这就包括咱们的大亚湾核电站。”王贻芳称，为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，此次结果便来自第一阶段的数据。[3]以下就是历史上著名的中微子实验：•1.日本Super-Kamiokande中微子实验•日本Super-Kamiokande中微子实验•中微子是一种极其微小的基本粒子。对于宇宙中的每一个质子或电子来说，可能都至少有10亿个中微子。科学家们需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因为它们与物理学许多领域都存在紧密联系。这种无处不在的粒子从宇宙大爆炸后几毫秒内就开始存在，在元素的放射性衰变中、恒星的核反应中以及超新星爆炸过程中都会产生新的中微子。•美国费米实验室“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说，“它们是宇宙中的一种主要粒子，但我们至今对其知之甚少。”中微子之所以难以理解，主要原因在于它们几乎不能与其他物质结合。与常见的电子不同的是，中微子没有电磁电荷；它们质量非常轻，以致于科学家们长期以来一直认为它们根本没有质量。探测它们需要紧密监测一大容器物质(如水)，中微子撞击到其他粒子时，会产生可观测到的变化。如，本图所示的是日本Super-Kamiokande中微子实验环境，研究人员正坐着一艘小船行驶于其中。这个探测器由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成。•2.β衰变•β衰变•科学家们最早是在β衰变过程中开始关注这种微型粒子的。20世纪初，研究人员注意到β衰变中的一些奇怪现象。如果释放出来的粒子只有电子，那么β衰变这个过程似乎违背了物理学定律，即能量守恒和动量守恒。当时没有人知道为什么会出现这种现象。然而，在每个新实验结果中，违背物理学定律的证据变得越来越有力。20世纪30年代，物理学家沃尔夫冈-保罗开始怀疑，核衰变过程可能比此前认为的更复杂。如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物，那么这些违背物理学定律的矛盾就迎刃而解了。这种所谓的其他事物，应该就是中微子。但是，如果中微子存在，它们必须非常轻，而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒子，也没有人想到较好的办法去发现它们。在相当长一段时期内，科学家一直认为探测中微子是不可能的。•3.发现中微子实验•发现中微子实验•1956年，研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内，美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。许多研究人员认识到，这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子，因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合，但是也存在一种微弱的可能性，即存在足够多的物质，一个中微子应该可以撞击到某种事物。•在β衰变的反过程中，这种直接撞击可以产生伽马射线。当时，物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近，只要反应堆开启，他们的实验就有可能首次探测到中微子。虽然科万于1974年就已去世，但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。本图所示内容为，两位科学家宣布发现中微子的电报。•4.加拿大萨德伯里中微子实验•加拿大萨德伯里中微子实验•几乎所有的中微子都产生于太阳内部巨大的核反应堆中。天文学家希望能够捕获这些中微子，因为它们之中包含有太阳内部的重要信息。1964内，物理学家雷-戴维斯和天文学家约翰-巴卡尔在美国南达科塔州的霍姆斯塔克矿中建立起一个实验环境用于发现这些中微子。这种探测器需要建于深深的地下，是因为闯入地球大气层的宇宙射线可能会干扰实验结果。•在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后，研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们的计算，太阳的中微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此，科学家们从头再来，试图寻找计算过程中的错误和漏洞，并更正估算结果。但是，他们仍然无法发现自己错在哪里。霍姆斯塔克实验运行了30多年，总是得出同样的结果。天文学家怀疑自己的太阳模型可能是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时，研究人员发现了中微子其实有三种不同的类型，β衰变过程中或太阳内部产生的中微子是电子中微子，而其他过程中产生的粒子则是缈子中微子与涛中微子，霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。在从太阳飞往地球的过程中，电子中微子会转变成其他类型。因此，霍姆斯塔克实验就无法探测到其他两种中微子。•随着新探测器的出现，三种中微子都被探测到，那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此前，一些科学家认为中微子没有质量，而不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质量。2001年，加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所有三种来自太阳的中微子。•5.IMB探测器•IMB探测器•上世纪80年代，科学家被一个与中微子无关的问题所困扰。一些理论家认为，被公认为稳定的粒子--质子应该可以衰变成更轻的亚原子粒子。如果这一说法正确，那么这将是物理学家长期以来梦寐以求的结果，从而可以形成一个统一的理论，将电磁作用力、强作用力和弱作用力理论融合在一起。如果质子会衰变，这将会对地球上的生命造成很大的麻烦，人体内的原子可能混乱地转变成其他元素。因此，理论家认为，质子可能会衰变，但速度极为缓慢，时间表甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。•为了验证这一结论，科学家们在一个盛满水的大容器中监测质子的数量。为了保证实验不受干扰，实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微子，这些中微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像一个衰变的质子，因此研究人员需要弄清楚他们可能会看到多少中微子。在测量过程中，科学家们发现了非常怪异的现象。来自实验环境以上的中微子要远远多于下部抵达的中微子，比例大约是2：1。历经10年的困扰，科学家们终于发现，中微子在飞行过程中，来自地底的中微子有时间转变成不同类型的中微子，由于实验设备只对一种中微子敏感，因此就错过了发生变异的其他中微子。这一发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。•本来用于探测质子的实验，发现了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然没有人能够发现质子衰变。本图所示，一名潜水员在俄亥俄州的IMB探测器中游泳。这个探测器建造于上世纪80年代初，本来用于探测质子是否衰变，反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。•6.液体闪烁器中微子探测器实验•液体闪烁器中微子探测器实验•1993年，科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验室中建造了液体闪烁器中微子探测器。他们的目标就是弄清楚中微子是否能够从一种类型转变成另一种类型。液体闪烁器中微子探测器的著名之处在于它发现了电子反中微子。对于这一怪异的发现，最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微子探测器的发现表明可能存在第四种或更多类型的中微子。第四种中微子的存在将对