神秘的中微子—2015年物理諾貝爾獎介紹

在基本粒子的家庭中，中微子是頗為神秘的一個成員。它是宇宙中除了光子外“人口”最多的粒子：光是來自太陽的中微子，每秒鐘就有約一百萬億個穿過我們的身體。但是中微子又是隱身高手。我們一生時間中，平均只有不到一個中微子會與身體相互作用。就是體積比樓房還大的現代中微子探測器，每天也只能收集幾個中微子反應的事件。

中微子質量微小，不帶電荷，與其他物質的作用非常罕見，絕大多數情況只是自顧自地“無害通過”。但是它在粒子物理中卻起着非常重要的作用。它不僅是現代基本粒子理論“標準模型”中的重要一員，而且還鋪墊着超越標準模型，建立新的物理理論的道路。2015年諾貝爾物理獎是關於中微子振盪的發現，這是第四個關於中微子的得獎工作了。

有趣的是，中微子的“身世”還和能量緊緊地聯繫在一起。

*中微子的問世*

中微子第一個為人所知的身份，就是“能量竊賊”。那還是在二十世紀初葉，放射性和原子核結構剛剛被發現的時候。1914年，物理學家查德威克（J. Chadwick）首次測量了貝塔衰變中的電子能量。貝塔衰變是人們發現的第二種原子核自發衰變，其中原子核的電荷數增加1，同時放出一個電子（稱為貝塔射線）【注一】。根據愛因斯坦的質能公式和衰變前後的原子核質量，我們可以確定這個反應釋放出了多少能量。這些能量應該轉化成了貝塔射線的動能。但是測量發現，貝塔射線中電子的能量比計算值要低，而且它不是一個固定值，而是隨機變化的。這個現象困擾了物理學家很久，甚至導致超級牛人波爾公開懷疑，能量守恆定律是否在微觀尺度上仍然成立。

1930年，因為“泡利不相容原理”而成名，後來得了諾貝爾獎的物理學家泡利提出了另一種解釋。他認為，貝塔衰變中可能還有一個粒子被放出。那個粒子很小而且不帶電，所以我們探測不到。但它帶走了一部分能量，所以貝塔射線的能量產生了虧空。這種說法就好像銀行經理說：我的帳軋不平，是因為有個隱身的賊。顯然這不太能令人信服。所以泡利只是以給同行公開信的形式提出了這個想法，兩年後才正式發表論文。後來物理學家費米（E. Fermi）提出關於貝塔衰變的理論，其中包括了中性，無質量的中微子【注二】。

泡利預言中微子時，用的名字是“中子”（neutron）。但後來不久，查德威克發現了與質子質量相仿但不帶電的粒子，命名為中子。於是費米就把泡利的粒子改名為中微子（neutrino），意思是微小的中子。可憐的中微子，一問世就是個小三。

因為中微子的微小和電中性，如何探測它是個大問題。理論上，中微子可能在“反貝塔衰變”中現身。貝塔衰變是中子變成質子同時放出電子和中微子。反貝塔衰變是質子吸收中微子變成中子，放出正電子。但是根據費米的計算，反貝塔衰變的幾率非常非常小，這樣的探測是不現實的。所以在很長時間內，人們，包括始作俑者泡利，都認為中微子的探測是不可能的。

而中微子這個能量竊賊的最終落網，也是與能量有關。二十世紀中葉，原子能的利用成為現實，原子彈和原子反應堆開始大量生產。原子鏈式反應中產生的中微子，數量比起實驗室中自發貝塔衰變來說是天壤之別。於是探測中微子又有了希望。1956年，欒斯（F. Reines）和科萬（C. Cowan）探測到了原子反應堆里產生的中微子。他們興奮地給泡利發電報報告這個喜訊。泡利未發出的回電說：“懂得等待的人就能得到一切。（Everything comes to him who knows how to wait.）”這句話說的自然是泡利自己：從他提出中微子概念到真正“發現”中微子，其中隔了二十六年。而再過兩年泡利就要辭世了。但誰知這句話也預言了兩位發現者的命運：欒斯和科萬要再等待四十年，到1995年才拿到諾貝爾獎。今天，原子反應堆仍然是中微子實驗的重要“材料”來源。中國在大亞灣核反應堆附近也建立了中微子實驗室。

後來人們發現，在基本粒子的家族中，電子有兩個表兄弟：渺子（muon）和濤子（tau）。這兩種粒子雖然不穩定，但和電子同屬輕子家庭。他們的“伴侶”中微子也就分為三種“味道”，稱為電中微子，渺中微子和濤中微子。當然，作為輕子，每種“味道”的中微子還有對應的反中微子。渺中微子是在上世紀六十年代被實驗觀察到的，這個工作得了1988年諾貝爾獎。濤中微子則到了2000年才被直接觀察到。

中微子不僅是能量產生過程的產物，也是那些過程的積極參與者。在我們所知的宇宙最大的能量產生過程中，中微子就起着關鍵作用。超新星爆炸，是燃料耗盡的恆星塌縮，激發起一系列核反應，產生巨大能量的一種星際事件。它發出的強光，在宇宙的另一端都能被看到。而超新星爆炸過程中，超高的能量密度產生了大量中微子/反中微子對。由於爆炸過程中的巨大物質密度，連電磁輻射都被禁錮住了。但中微子束卻來去自由，是能量和質量的搬運工，保證了超新星中核反應的充分進行。同時，流入太空的中微子束還是這個巨大能量事件的信使，帶着超新星中心核反應的“指紋”。而且因為能輕易穿透正在塌陷的高密度恆星外殼，中微子比光子更早到達宇宙空間。日本物理學家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）因為探測到來自超新星的中微子，獲得2002年諾貝爾獎。針對超新星的“中微子望遠鏡”今天是個熱門的研究項目。

*太陽中微子和中微子振盪*

2015年諾貝爾物理獎所褒獎的工作，是關於中微子振盪的。它也與能量密切相關。自古以來，人們對於太陽的能量來源就充滿好奇。有人甚至認真算過，如果太陽上都是煤的話夠燒多少年。有了核能的知識後，自然就把太陽與核聚變聯繫起來了。上世紀五，六十年代，太陽產能模型日趨完善，產生了所謂“太陽標準模型（SSM）系列。根據這些模型，太陽內部發生一系列的核聚變反應，提供龐大的太陽能。問題是，如何通過實驗來驗證？人們目前對地心的情況都所知甚少，直接觀察太陽內部更是十分困難。

幸好，太陽深處的核聚變產生大量的中微子，它能暢通無阻地穿過太陽進入宇宙空間，帶出那些核反應的信息。於是，巴考（J. Bahcall）等人計算了太陽核反應產生中微子的流量和能譜，以供實驗驗證。由於距離遙遠，太陽中微子在地球上的流量比核反應堆產生的要低得多，探測也就更困難。上世紀六十年代，戴維斯（R. Davis）首次探測到了太陽中微子。因此他在2002年與上面說到的小柴昌俊（他的工作也包括探測太陽中微子）分享了諾貝爾物理獎的一半（同年得獎的另一個工作與中微子無關）。這個探測工作十分困難（在四分之一世紀的實驗時間中，太陽中微子總共在戴維斯裝着十萬加侖液體的探測器里留下了大約2000個氬原子的蛛絲馬跡，而戴維斯抓到了其中每一個原子）。但結果卻令人失望：測到的中微子數量只有模型預計的三分之一左右。

當然，最有可能的是模型錯了，或者模型使用的參數錯了。可是別的觀測結果又與模型相符，儘管是非常間接的。這時就有人提出了中微子振盪的假說，這就是這次諾貝爾獎的主題。

前面說到，中微子有三種味道：電中微子，渺中微子和濤中微子。太陽產能過程中產生的中微子是電中微子，戴維斯試驗中能探測到的也是電中微子。現在發現電中微子短缺了，是不是可能有些中微子在旅行途中變成了其它種類？

理論上說，三種中微子“味道”可以認為是同一種粒子的三個量子態。如果它們是三個質量本徵態的疊加，而那些本徵態的質量不同，那麼這三種“味道”就會隨時間而振盪。也就是說，事實上有三種具有不同質量的中微子。它們混合起來形成了三種“味道”。但其混合比例會隨時間振盪，以致測量出來的“味道”也就變化不定。這個現象在量子力學上很容易理解，但關鍵是要有三種不同質量。但是根據目前公認的基本粒子理論“標準模型”，中微子是沒有質量的。所以如果真有中微子振盪的話，就與標準模型矛盾了。

這時候，輪到我們的主角出場了。1985年，美國科學家陳華生（Herb Chen）指出用重水可以觀測兩個中微子反應，一個只有電中微子參與，另一個所有中微子都參與。由於可以同時測量電中微子的流量和所有中微子的總流量，這個方法可以判斷太陽來的電中微子是否轉變成了其它“味道”，從而解決中微子振盪的問題。因為加拿大原子能機構願意免費借重水給他們，實驗室地址就選在加拿大蘇得伯累（Sudbury）一個廢棄的礦井裡，稱為蘇德伯雷中微子觀測站，簡稱SNO。這次得諾貝爾獎的馬克唐納（A. B. McDonald）原來是普林斯頓大學的教授，1990年為了領導這個實驗室搬到了加拿大。SNO的中微子探測器1999年開始工作，2001年，研究團隊發表了初步結果。這個實驗2006年結束，而最後結果在2013年發表。實驗表明，電中微子的流量是總流量的三分之一，而後者與太陽模型所預計的電中微子產生量相同。這就表明，經過從太陽到地球的長途旅行，中微子的確發生了振盪，結果是三種味道的中微子數量相同，每種只有原來的三分之一。於是，太陽模型得到驗證，“中微子缺損之謎”得解，而且中微子振盪被實驗觀測所證實。順便說一句，最先提出這個探測概念的陳華生是一位很有成就的理論和實驗物理學家，幼年時從中國移民到美國。可惜1987年，他45歲時就逝世了，沒能看到SNO的完成。

雖然中微子振盪的假說是關於太陽中微子而提出的，但實際上它有一個更早的實驗驗證。這就是2015年諾貝爾獎的另一個得主梶田隆章（T. Kajita）領導的日本中微子實驗室“超級神岡”（Super-Kamiokande）的工作了。這個實驗室探測的是中微子與電子的相互作用。中微子與電子會發生彈性碰撞。根據碰撞後電子在水中產生的切倫科夫輻射，可以判斷入射中微子的能量和方向。另一種反應是：中微子參與核反應。變成它的“伴侶”——電中微子變成電子，渺中微子變成渺子。電子和渺子產生的切倫科夫輻射具有不同的光學形態，所以據此可以區分中微子的這兩種味道。他們觀測的目標不是來自太陽的中微子，而是宇宙射線在大氣外層撞擊氣體分子產生的渺中微子和電中微子，兩者的比例是已知的。但以前的實驗測出的比例與理論值不符。這也是中微子觀測中的一個謎，稱為大氣中微子反常。而中微子振盪也是可能的解釋之一。

梶田隆章團隊發現，電中微子和渺中微子的比例隨着觀測的角度而變化。特別是渺中微子，從天頂上來的比較多，而從地球背面來的就少。這說明，在後者較長的路徑中，渺中微子轉變成了其它味道。這個結果是1998年發表的。在2004年，他們根據不同能量中微子的表現，進一步證實了“振盪”的現象，也就是渺中微子在變成其它味道後，還會變回去。

中微子振盪的實驗證實，聽起來原理很簡單，但做起來非常不容易。因為中微子發生作用的幾率非常小，探測器必須具有很大的質量。超級神岡探測器用了5萬噸水和一萬三千多個光探頭來捕捉中微子的蹤跡。SNO用重水，探測效率高一些，但也用了1千噸重水，近一萬個光探頭。由於中微子事件很稀有，這類實驗必須小心排除其它輻射造成的干擾。為此，這兩個實驗室建築在深度超過一千米的地下（一般都是利用廢棄的礦井），讓土層來屏蔽宇宙和大氣中的輻射。探測器使用的水和重水必須是極高純度的，實驗室也保持高度潔淨，來排除周圍環境中的輻射源。這樣的實驗室建造固然很費時間和金錢，數據收集也需要好多年時間。這樣的工作，必須有大團隊才能完成。SNO實驗室2001年的論文，有170多個作者。超級神岡1998年的論文也有120個作者。所以這次的諾貝爾獎，應該說是獎勵這兩個團隊的艱苦而意義重大的工作。

*中微子仍然神秘*

從那以後，中微子振盪也被其它一些中微子實驗所證實，有關參數被更精密地測量。中微子振盪最大的意義，就是證明了至少某些中微子態有質量。這對於基本粒子的標準模型來說，不是一個簡單的參數問題，而是涉及到一些基本的對稱性假定，需要大修改才能自圓其說。而且，同為輕子，中微子的質量為何如此之小（可能只有電子的五十萬分之一），也是一個謎。中微子有質量這件事還暗示着可能有第四種中微子的存在。它稱為“惰性中微子”，與其他物質的相互作用更小，所以也就更難探測。但是它卻可能質量很大，也可能是神秘的“暗物質”的成員。中微子振盪實驗中測到的有關參數（最重要的是“混合角度”）對於理論的下一步發展也提供了有價值的信息。所以對中微子振盪的證實和研究，在基本粒子和宇宙學中的意義是非常重大的。上面說到的中國大亞灣中微子實驗室也是中微子振盪研究的主力團隊之一。它在2012年率先發現了第三種中微子振盪（電中微子與濤中微子）現象。大亞灣實驗室是2016年科學突破獎（Breakthrough Prize in Fundamental Physics）的五個得獎實驗室之一。其他的得獎者除了上面說到的兩個得諾貝爾獎的實驗室之外，還有另外兩個日本實驗室。

除了中微子的質量外，另一個尚未解決的問題是：中微子與反中微子是不是同一種的粒子？這也是關繫到基本對稱性的重大問題。我們知道，目前我們觀察到的宇宙中主要是正物質存在。但宇宙大爆炸時所有物質都是“無中生有”，從真空中產生的正，反粒子對。它們在冷卻過程中相互湮滅，最後剩下了我們現在的正物質世界。這說明當初正，反物質產生時，數量有微小的差異。而其中原因，就與中微子與反中微子是不是同樣的粒子有關。有一種“雙貝塔衰變”，每個衰變產生一個中微子。如果中微子同時也是反中微子，它們就可能相互“抵消”，形成“無中微子雙貝塔衰變”。這個實驗上可以觀測，但卻是非常罕見的事件，至今尚未被觀察到。目前在美國能源部的核物理研究長遠建設計劃中，無中微子雙貝塔衰變的實驗占着第二位優先，總造價兩億五千萬美元以上。

因為中微子在基本粒子理論中的重要地位和在天文觀察中的特殊角色，中微子實驗雖然很困難但一直吸引着科學家。特別是在今天提高加速器能量越來越困難的情況下，中微子實驗為粒子物理學家提供了另一個施展身手的天地。目前最大的中微子探測實驗當數“冰立方”（Ice Cube）了。這個2010年完工的實驗室建立在南極的冰層上。86根電纜帶着5160個光學探測器，埋在地表以下1450米到2450米之間的冰中，監視着一立方公里體積的冰層（相當於十億噸水）中的中微子蹤跡。它主要用來觀測來自太空和大氣外層的中微子。美國目前計劃中最大的高能物理實驗項目是“長基線中微子設施”（LBNF）。它用位於芝加哥的費米實驗室的加速器產生中微子，射向在800英里以外的斯坦福大學。這個路徑兩端的中微子探測設施可以研究通過的中微子的性質，也可以對來自超新星爆發的中微子進行相關探測，還可以進行質子衰變的實驗。中微子的理論和實驗研究都方興未艾，中微子仍然是個神秘的粒子。可以預料，這個領域未來還會出現不少諾貝爾級的工作【注三，注四】。

注一：後來又發現另一種貝塔衰變，原子核電荷數反應後減一，放出的貝塔射線是正電子。

注二：按照我們現在的命名傳統，貝塔衰變中放出的應該是反中微子。但為了敘述簡便這裡暫且忽略這個細節。

注三：要想了解更多中微子的知識，我推薦這本科普書：Neutrino Hunters by Ray Jayawardhana.

注四：本文經布魯克海文實驗室馬博士和傑弗遜實驗室張博士審閱指正，特此鳴謝。文責由作者全部承擔。

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