中微子：粒子界“隱士” 宇宙奧秘“告密人”

“中微子的能量比我們之前看到的都要大，它可以達到世界上粒子加速器產生的能量的幾百萬倍。”近日，2015年諾貝爾物理學獎獲得者亞瑟·麥克唐納在世界科技創新論壇上表示。上述結論，源自他對“冰立方”中微子天文臺最近發表的一項研究的分析。

近日出版的《科學》雜志刊登封面文章，稱“冰立方”中微子天文臺找到耀變體發射超高能中微子的證據。這篇文章中提到，2017年9月22日，冰立方探測到一個能量為290 TeV（萬億電子伏特）的中微子。目前能量最高的加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，只能把粒子加速到7 TeV。

眾所周知，中微子質量很小，幾乎不與物質作用，那么要捕捉到有“幽靈粒子”之稱的它有哪些辦法？目前有哪些項目正在尋找中微子？“冰立方”在尋找中微子方面有什么特殊優勢？哪些過程可能產生中微子？探尋中微子有哪些科學意義？

不知不覺中帶走能量

20世紀20年代，科學家在研究β衰變時，發現在這一過程中，有一部分能量不知去向。依照能量守恒定理，如果靜止的中子衰變成一個質子和一個電子，那么電子的能量應該等于中子能量減去質子能量的結果。電子的能量約等于中子與質子的質量差，而實際測量到的電子能量都比預測的要小。

這讓科學家們感到十分困惑，在亞原子過程中，能量守恒定律是否失效了？1930年，當時年僅30歲的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利，對此作出了一種大膽的推斷。

泡利預言，在中子的β衰變過程中，除了產生質子和電子之外，可能還產生了另一個新的粒子，是它帶走了“不知去向”的那部分能

在閃爍液體中顯形

由于中微子與物質的相互作用很弱，因此想要在實驗里直接找到它，是件很困難的事情。為此，科學家想了很多辦法。

理論上，只要發生核裂變反應，就會產生中微子。起初，科學家們選擇在核反應堆附近建造對中微子特征敏感的粒子探測器。

上文提到的柯萬和萊因斯便是將一個大型裂變反應堆作為中微子來源，用裝有氯化鎘溶液的容器來捕捉中微子。他們預計，中微子跟溶液中的質子碰撞后的一系列反應，會引起閃光。

果然，閃光出現了，被液體閃爍計數器記錄了下來。“閃爍液體是一種在射線下能發出熒光的液體，每來一個射線就發出一次熒光。由于中微子與質子碰撞時發出的頻閃很有特異性，從而證實了中微子的存在。”中科院高能物理所研究員周順解釋道。

人造核反應堆之外，太陽內部的核聚變反應和超新星爆發過程都可以產生大量中微子。同時，當高能宇宙射線撞擊地球大氣層中的粒子時，也會產生中微子。為了尋找來自太陽和大氣的中微子，20世紀60年代以來，物理學家們在深部地下建造了多個探測器。

比如，日本東京大學在一個深達1000米的廢棄砷礦中建造了大型中微子探測器——超級神岡探測器（Super-Kamiokande）。“這是一個能同時檢測太陽和大氣中微子的探測器。”周順介紹。

“冰立方”中微子天文臺的探測器則深埋在南極冰蓋下1.5千米處，由86串傳感器組成，排布在1立方千米的冰內。當中微子偶爾與冰中的原子發生反應時，會產生一大團帶電粒子，帶電粒子輻射出的藍光會照亮周圍的冰。這些被稱為契倫科夫輻射的藍光可以在純凈的、極透明的冰中傳播幾百米，被布置好的探測器盡收眼底。

不同探測方式構成互補

既然發現了中微子的存在，物理學家們就迫切想知道它的能量、質量、速度等各種物理性質。

中微子分三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以“振蕩”——從一種類型變成另外一種。三種不同振蕩模式的幅度可以由三個混合角θ12、θ23和θ13來定量地描述。前兩種已在太陽中微子和大氣中微子振蕩實驗中找到。

2012年，大亞灣中微子實驗國際合作組宣布，他們發現了新的中微子振蕩模式，且實驗達到了前所未有的精度，測得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%，誤差為1.7%，無振蕩的可能性只有千萬分之一。

不止是大亞灣實驗，國際有多個裝置都在對中微子振蕩模式進行研究。在周順看來，在振蕩模式測量中，對3個中微子兩兩之間的質量差可以測得很精準，但無法測量出單個中微子的絕對質量。

那么，如何測量單個中微子的質量呢？費米曾提出，可以通過測量β衰變能譜來確定中微子的質量。在一個典型的β衰變中，原子核內的一個中子變成質子，同時放射出一個電子和一個電子型反中微子。盡管反中微子無法直接探測到，但可以通過伴隨電子的能量和動量，推測出這個反中微子的質量。

但是，由于中微子的質量實在太輕，想通過測量β衰變來測量其質量，要求探測器具備極高的靈敏度。令人興奮的是，今年6月，德國卡爾斯魯厄理工學院為中微子打造的迄今最靈敏的“體重秤”KATRIN正式開始運行了。

“通過振蕩模式測量，我們知道三個中微子的總質量必須大于0.06 eV（電子伏特），目前粒子物理實驗給出的質量上限是2 eV，KATRIN預計在幾年內達到0.2 eV的靈敏度，這將是一個數量級的提升。”周順說道。

來自宇宙深處的信使

了解了中微子的各種“軼事”，你可能想知道，研究它有哪些科學意義？

在周順看來，除去物理學層面的意義以外，研究中微子對于了解恒星的結構和演化，乃至宇宙的起源都有著重要的科學意義。因此，天文學里專門有一個分支叫做中微子天文學。

來自宇宙深處的高能宇宙射線到達地球時，人們無法推斷出它們從何而來。因為帶電粒子在穿過太空時，星系和星系間的磁場會改變這些粒子路徑。理論上，宇宙射線的源頭也會產生中微子。

“耿直”的中微子，幾乎不會和其他物質發生反應，總是一條道走到黑。始終指向起點的它，可以幫助科學家找到宇宙射線的源頭。

截至目前，“冰立方”已經探測到了多個超高能中微子，能量高達1015 eV。科學家們正在努力探究這些高能中微子是如何產生的，以及來自宇宙何處。極端的宇宙現象，例如活動星系核和伽馬射線暴，可能是它們的來源，這兩種現象同樣也可能是宇宙射線的來源。

周順認為，如果高能中微子的來源能確切地追溯到這些可能的宇宙線來源上，將幫助科學家更好地理解那些產生高能中微子的、極其劇烈的天體物理過程。