它是粒子界“隐士” 也是宇宙奥秘“告密人

2018年08月23日  来源：科技日报

“中微子的能量比我们之前看到的都要大，它可以达到世界上粒子加速器产生的能量的几百万倍。”近日，2015年诺贝尔物理学奖获得者亚瑟·麦克唐纳在世界科技创新论坛上表示。上述结论，源自他对“冰立方”中微子天文台最近发表的一项研究的分析。

7月13日出版的《科学》杂志刊登封面文章，称“冰立方”中微子天文台找到耀变体发射超高能中微子的证据。这篇文章中提到，2017年9月22日，冰立方探测到一个能量为290 TeV（万亿电子伏特）的中微子。目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能把粒子加速到7 TeV。

众所周知，中微子质量很小，几乎不与物质作用，那么要捕捉到有“幽灵粒子”之称的它有哪些办法？目前有哪些项目正在寻找中微子？“冰立方”在寻找中微子方面有什么特殊优势？哪些过程可能产生中微子？探寻中微子有哪些科学意义？科技日报记者就此采访了业内专家。

不知不觉中带走能量

上世纪20年代，科学家在研究β衰变时，发现在这一过程中，有一部分能量不知去向。依照能量守恒定理，如果静止的中子衰变成一个质子和一个电子，那么电子的能量应该等于中子能量减去质子能量的结果。电子的能量约等于中子与质子的质量差，而实际测量到的电子能量都比预测的要小。

这让科学家们感到十分困惑，在亚原子过程中，能量守恒定律是否失效了？1930年，当时年仅30岁的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利，对此作出了一种大胆的推断。

泡利预言，在中子的β衰变过程中，除了产生质子和电子之外，可能还产生了另一个新的粒子，是它带走了“不知去向”的那部分能量。新粒子不带电、质量极小，与物质相互作用极弱，以至于无法探测到。

这一假说引起了意大利物理学家费米的注意。1934年，费米建立了β衰变理论，定量地描述了β射线能谱连续性和β衰变半衰期的规律。该理论中包含了泡利所假设的新粒子，在实验上发现中子之后费米将其命名为“中微子”。

在理论界有了名分的中微子，在实验领域很长一段时间都处于“隐身”阶段。一直到1956年，美国物理学家柯万和莱因斯第一次通过实验直接探测到了中微子。获知这一消息后，泡利在回复的电报中写道：“感谢您的消息，对于懂得等待的人，一切终将了然”。

在闪烁液体中显形

由于中微子与物质的相互作用很弱，因此想要在实验里直接找到它，是件很困难的事情。为此，科学家想了很多办法。

理论上，只要发生核裂变反应，就会产生中微子。起初，科学家们选择在核反应堆附近建造对中微子特征敏感的粒子探测器。

上文提到的柯万和莱因斯便是将一个大型裂变反应堆作为中微子来源，用装有氯化镉溶液的容器来捕捉中微子。他们预计，中微子跟溶液中的质子碰撞后的一系列反应，会引起闪光。

果然，闪光出现了，被液体闪烁计数器记录了下来。“闪烁液体是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与质子碰撞时发出的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。”中科院高能物理所研究员周顺解释道。

人造核反应堆之外，太阳内部的核聚变反应和超新星爆发过程都可以产生大量中微子。同时，当高能宇宙射线撞击地球大气层中的粒子时，也会产生中微子。为了寻找来自太阳和大气的中微子，20世纪60年代以来，物理学家们在深部地下建造了多个探测器。

比如，日本东京大学在一个深达1000米的废弃砷矿中建造了大型中微子探测器——超级神冈探测器（Super-Kamiokande）。“这是一个能同时检测太阳和大气中微子的探测器。”周顺介绍。

“冰立方”中微子天文台的探测器则深埋在南极冰盖下1.5千米处，由86串传感器组成，排布在1立方千米的冰内。当中微子偶尔与冰中的原子发生反应时,会产生一大团带电粒子， 带电粒子辐射出的蓝光会照亮周围的冰。这些被称为契伦科夫辐射的蓝光可以在纯净的、极透明的冰中传播几百米，被布置好的探测器尽收眼底。

不同探测方式构成互补

既然发现了中微子的存在，物理学家们就迫切想知道它的能量、质量、速度等各种物理性质。

中微子分三种：电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——从一种类型变成另外一种。三种不同振荡模式的幅度可以由三个混合角θ12、θ23和θ13来定量地描述。前两种已在太阳中微子和大气中微子振荡实验中找到。

2012年，大亚湾中微子实验国际合作组宣布，他们发现了新的中微子振荡模式，且实验达到了前所未有的精度，测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%，误差为1.7%，无振荡的可能性只有千万分之一。

不止是大亚湾实验，国际有多个装置都在对中微子振荡模式进行研究。在周顺看来，在振荡模式测量中，对3个中微子两两之间的质量差可以测得很精准，但无法测量出单个中微子的绝对质量。

那么，如何测量单个中微子的质量呢？费米曾提出，可以通过测量β衰变能谱来确定中微子的质量。在一个典型的β衰变中，原子核内的一个中子变成质子，同时放射出一个电子和一个电子型反中微子。尽管反中微子无法直接探测到，但可以通过伴随电子的能量和动量，推测出这个反中微子的质量。

但是，由于中微子的质量实在太轻，想通过测量β衰变来测量其质量，要求探测器具备极高的灵敏度。令人兴奋的是，今年6月，德国卡尔斯鲁厄理工学院为中微子打造的迄今最灵敏的“体重秤” KATRIN正式开始运行了。

“通过振荡模式测量，我们知道三个中微子的总质量必须大于0.06 eV（电子伏特），目前粒子物理实验给出的质量上限是2 eV，KATRIN预计在几年内达到0.2 eV的灵敏度，这将是一个数量级的提升。”周顺说道。

来自宇宙深处的信使

了解了中微子的各种“轶事”，你可能想知道，研究它有哪些科学意义？

在周顺看来，除去物理学层面的意义以外，研究中微子对于了解恒星的结构和演化，乃至宇宙的起源都有着重要的科学意义。因此，天文学里专门有一个分支叫做中微子天文学。

来自宇宙深处的高能宇宙射线到达地球时，人们无法推断出它们从何而来。因为带电粒子在穿过太空时，星系和星系间的磁场会改变这些粒子路径。理论上，宇宙射线的源头也会产生中微子。

“耿直”的中微子，几乎不会和其他物质发生反应，总是一条道走到黑。始终指向起点的它，可以帮助科学家找到宇宙射线的源头。

截至目前，“冰立方”已经探测到了多个超高能中微子，能量高达1015 eV。科学家们正在努力探究这些高能中微子是如何产生的，以及来自宇宙何处。极端的宇宙现象，例如活动星系核和伽马射线暴，可能是它们的来源，这两种现象同样也可能是宇宙射线的来源。

周顺认为，如果高能中微子的来源能确切地追溯到这些可能的宇宙线来源上，将帮助科学家更好地理解那些产生高能中微子的、极其剧烈的天体物理过程。（唐婷）