幽灵般中微子的认识之路

基本粒子

在人类两千多年的科学史中，对基本粒子的想象和研究一直推动着人类文明的进步。

看到水的蒸发、木头的损耗、空气的流动这些自然现象，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus, 460 – 370 BC）想象万物皆由原子组成。两千多年后，这一思想种子终于在19世纪得到了大量科学验证，从19世纪初道尔顿（John Dalton, 1766 - 1844）发现原子可以完美地解释化学反应中物质量的整数比例，到20世纪初爱因斯坦（Albert Einstein, 1879 - 1955）将花粉在水中的布朗运动解释为水原子（分子）对花粉的碰撞，经过一百多年的激烈争论，原子学说终于被大部分科学家接受。从元素周期表中各种元素的发现，到石油、钢铁、塑料等各种先进工业和现代化学，无不建立在原子学说之上。

20世纪，人们对于基本粒子的认识终于突破了原子的尺度，发现原子是由原子核和电子组成的。对电子在原子内部运动的研究催生了量子力学，成为半导体、激光、超导等现代技术的基础。对原子核的研究则开启了人类的能源革命，核能的效率比几十万年来人类使用的化学能源高百万倍以上。

图1. 计算机芯片，是人类对原子科学研究之花长出来的果实。图片来自维基百科。

现在，在基本粒子的研究领域，我们可能正面临着一个崭新的时代，其中的主角之一，就是被称为幽灵粒子的中微子。

中微子——神秘世界的门

上世纪30年代，人们似乎得到了一个对基本粒子的“完美”的认识：质子和中子组成原子核，由原子核和电子组成的原子则构成了整个宇宙。然而，很快，人们就发现宇宙比我们想象的更加神秘，这个神秘新大陆的信使之一是一个如幽灵般的粒子。

自然界有三种衰变，分别称为α、β、γ衰变。其中α和γ是两体衰变，能量都是单一的。让人们惊奇的是，β衰变和它们不同，能量居然是连续的，这说明β衰变绝对不是两体衰变，至少是三体衰变。然而，β衰变的产物只有原子核和电子被探测到，为什么第三个粒子不见了呢？

为了解释这个疑难，奥地利物理学家泡利（Wolfgang Ernst Pauli, 1900 - 1958）假设了一个新粒子的存在：这个粒子没有电荷且质量很轻（因此叫中微子），与其它粒子的反应非常弱，它在β衰变中产生之后就逃离了现场，没有被仪器探测到。一个中微子可以轻易地穿过整个地球而不与物质反应，因此难以证明它是否存在，泡利后来甚至责怪自己设想了一个无法被验证的粒子。

捕捉这个“幽灵”的英雄最终还是出现了。虽然一个中微子和一个原子反应的概率极低，但是如果有大量的中微子穿过大量的原子，还是会有一定数量的反应，从而可以被实验检测。核电站就是一个可以产生大量中微子的源，因为核燃料裂变形成的不稳定原子核会发生大量β衰变。

美国物理学家莱茵斯（Frederick Reines, 1918 - 1998）和考恩（Clyde Cowan,1919 - 1974）在1956年完成的实验是人类历史上第一次探测到中微子，他们将两个水箱放在核电站附近，水中的质子能与中微子反应，产生一个正电子和一个中子，这个正电子很快会同一个电子湮灭从而放出两个γ射线，过了一段时间之后这个中子会被溶在水中的镉吸收进而再放出γ射线，这一前一后两次γ射线的信号就成为了中微子的“身份证”。

经过几个月的数据收集，他们终于得到足够数量的证据，在1956年6月14日，他们给泡利发了一封电报：“我们很高兴地通知您，我们确定无疑地探测到了中微子。”泡利无疑很高兴，经过二十多年的等待之后，终于看到当年那个大胆的假设得到验证。

我国的中微子研究

在2000年前后发现的中微子振荡是一种很奇特的现象，人们发现中微子会“变身”！就像一只苹果在你面前变成一个榴莲，这个榴莲过一会又变成了山竹，山竹过一会又变回苹果。这种奇怪的行为是量子力学在宏观世界上的表现，但要求中微子质量不为零！这与之前的粒子物理标准模型理论不符。基本粒子研究这条航船似乎来到了一个神秘而全新的大陆。

在中微子振荡的研究方面，中国也开展了很多的工作。中国大亚湾中微子实验利用液闪探测器观测大亚湾核电站发出的中微子，世界上首次精确测量出中微子振荡的第三个混合角θ13，打开了研究中微子CP不守恒的可能性，对未来20年的中微子乃至整个粒子物理的研究产生了重要影响。此成果获得了国家自然科学一等奖和美国基础物理学突破奖。

未来的二三十年中微子研究将会是激动人心的，中微子的质量顺序是什么？中微子的CP破坏相位是多少？中微子将会带给我们关于天文和宇宙的什么信息？这每一个问题都可能让我们更加了解这个宇宙，对当代物理学有重大的意义。我国的中微子研究同样不会缺席，目前正在建设并预计于2021年开始的江门中微子实验是全世界最大的液闪探测器，将要测量中微子质量顺序，也有可能在太阳中微子、地球中微子、中微子天文学等多个领域带来重大的发现。

从更广阔的视角来看，现代物理学面临着许多重大的挑战，包括：（1）为什么正物质比反物质多？（2）曾经我们以为原子构成了全部的世界，然而现在发现原子只占5%，整个宇宙的95%是暗物质和暗能量，它们会是什么？（3）早期的宇宙是什么样的？这些问题都与中微子有着或明或暗的关系。这些重大的问题或许是一扇门，引导基本粒子和宇宙学研究进入更深的层次。