探測中微子的新方法

苗千

2017年8月3日，《科學》雜志刊登的一篇論文迅速引起了全世界的關注。

每一秒鐘，我們每個人的身體都被數以百萬億計的粒子穿過，而我們并無知覺。這并非是什么神奇的事，因為穿過我們身體的中微子，是宇宙中數量第二多，又最為孤獨，幾乎不與其他任何粒子發生相互作用的基本粒子，它們穿越宇宙空間中的萬物如同虛空。根據概率計算，幾乎每一個星期，才會有一個中微子與人體的某個原子發生相互作用，這種效應微乎其微，自然也很難被人的神經系統所感知到。

正是因為中微子這樣孤僻的個性，使研究中微子的物理學家們不得不大費周章。地球上的中微子探測裝置大多都深埋地下，動輒利用數千噸純水或是其他物質作為探測器，期待中微子能夠與探測器內部的原子核發生碰撞，產生出微弱的閃光，再輔之以極其靈敏的感光設備，探測和記錄每一個來之不易的中微子信號。這樣的探測裝備自然是要花費大量的人力和物力。

人類在1956年第一次通過弱相互作用探測到了中微子，一個中微子與質子交換了一個W玻色子，產生出一個中子和一個正電子。1973年，人們又觀測到了中微子在能量較低的情況下與其他粒子交換Z玻色子。是否可能用一種比較簡便的方法來探測中微子？在理論上是存在的。麻省理工學院的理論物理學家丹尼爾·弗里曼（Daniel Freedman）在1974年曾經提出過利用一種叫作“相干彈性中微子-原子核散射”（Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering）的效應進行中微子探測的方法。這種方法因為在當時看來太不切實際，以至于弗里曼當時在論文中也寫道：“（想通過這種方式來探測中微子）可能只是白費力氣，因為不可避免的作用比率、分辨率，以及背景干擾都會帶來巨大的實驗困難。”

他沒想到的是，這種在當時僅存于理論中的想法居然在40多年之后成為現實。2017年8月3日，《科學》（Science）雜志刊登了一篇來自COHERENT合作項目共同提交的論文《對相干彈性中微子-原子核散射的觀測》（Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering）迅速引起了全世界的關注，這可能意味著人類從此有了更加簡便的探測中微子的方式，同時也可能開啟多個領域的相關研究。

分別對應不同的基本粒子，中微子也分為三種，分別是電子中微子、muon中微子和tau中微子，它們與原子核的作用方式各不相同。常規的中微子探測裝置都是盡量增加探測器里質子和中子的數量，以此增加與中微子發生碰撞的機會。但弗里曼認為，情況并非全都是如此，中微子并不一定總是單獨與質子或中子發生碰撞。對于微觀粒子來說，它們同時具有粒子和波的性質，對于某些能量較低的中微子，它們所對應的波長較長，如果其波長相當于整個原子核的長度，那么一旦發生相互作用，也就相當于中微子與整個原子核都發生了碰撞。

幾十年來物理學家們都想要觀測到這種低能量中微子與整個原子核的碰撞，但實際難度非常大。杜克大學的物理學家凱特·斯科爾伯格（Kate Scholberg）形容，這種情況就像是“用一個乒乓球去打一個保齡球”，雖然很容易打中，但保齡球的狀態不會有太大改變的。與低能量的中微子相碰撞，原子核會產生一點顫動，但這樣的顫動很難被探測到。

這樣的探測最終成真。COHERENT合作項目利用摻雜了鈉元素的碘化銫晶體制成一個非常特殊的中微子探測器，這個只有14.6公斤重的中微子探測器狀如一個小號滅火器。在探測器內的原子核即使是發生了非常微小的顫動也會產生出一個閃光，進而被捕捉到。為了能夠用這種新方法探測到低能量中微子的信號，COHERENT合作項目中來自18個研究機構的90名科學家不僅采用了極靈敏的探測材料，還把這個探測器用金屬和水泥包裹住，放置在美國橡樹嶺國家實驗室的地下室走廊里，這條走廊被稱作“中微子走廊”。旁邊就是一個散裂中子源，中微子正是它最大的副產品——這些中微子的能量正好適合用來進行探測，它們的能量足夠低，可以與原子核發生相干散射;但能量又足夠高，碰撞效果足以被探測到。經過461天的觀測，物理學家們總共發現了134個中微子散射信號，符合事先的估算。

這樣的便攜式中微子探測器可能會有非常實際的用途，例如有人提議可以把它放置在核電站的附近檢測核反應堆工作是否正常，是否發生了核泄漏。另外，科學家們也希望這樣的探測裝置可以為人們尋找大質量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles）提供幫助。這種粒子雖然尚未被發現，但是人們猜測它可能是構成暗物質的主要成分，它與原子核的相互作用可能與中微子相似。

另一方面，這樣的探測器還不能代替遍布世界的巨型中微子探測器，因為它只能探測到能量較低的中微子信號，卻無法辨別與之發生碰撞的是哪一類中微子，這對于很多中微子研究項目來說往往至關重要。就在2017年7月21日，一群美國物理學家在南達科他州一個以前的金礦礦坑中開啟了又一個大型粒子實驗。這個實驗被稱為“長基線中微子設施”（Long-Baseline Neutrino Facility），人們將會在距此1300公里之外的費米國家加速器實驗室向這里發射中微子束，當中微子到達這個位于地下1480米的中微子探測器時，它們有可能與其中數百萬升的液態氬發生相互作用并被探測到。

之所以大費周章進行這樣的探測，就是因為中微子不僅分為三個類型，同時它們在運行的過程中還會改換身份，在三種類型之間相互變換，這種現象被稱作“中微子振蕩”（Neutrino Oscillation）。想要弄清楚中微子振蕩的機理，物理學家們不僅需要能夠探測到中微子，還需要知道它的類型。從1300公里外發射來muon中微子束，被探測到之后卻可能呈現出其他的中微子類型。只有通過這樣高精度的實驗，人們才能精確研究這種在宇宙中無處不在的粒子的真實性質，以及中微子和反中微子在宇宙發展過程中的角色。

（本文寫作參考了《科學》雜志的報道）