中微子无处不在 将开启物理新世界大门

伤我心太深

10月6日，日本研究者梶田隆章和加拿大研究者阿瑟·麦克唐纳因在发现中微子振荡方面作出的重要贡献，而摘得2015年诺贝尔物理学奖。

那么，中微子振荡究竟是什么？

开启物理新世界的钥匙

要了解中微子振荡，就必须先知道“标准模型”。在粒子物理中，该理论模型被用来描述各个基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型对夸克、轻子等的预言十分准确，特别是前几年拿了诺奖的上帝粒子——Higgs粒子就是标准模型中预言的最后一种粒子。

然而，“王冠下的脑袋总是难以安稳”，莎士比亚的这句话，同样可以送给今天粒子物理学的标准模型。虽然在过去的几十年间，标准模型获得了巨大的成功，不过它也有一些小小的瑕疵，就像19世纪末的经典物理学一样，标准模型无法描述暗物质的存在，也无法描述暗能量是个什么东西，不过，毕竟暗物质和暗能量还没有被正式发现，标准模型还不需要太“担心”。

但人们并未满足，反倒更为迫切地希望将标准模型拉下马来，去寻找那些超越它的崭新物理篇章。“标准模型就是粒子物理学，”诺贝尔奖得主杰克·施泰因贝格说，“但很多问题目前仍无望回答。”

而消解这些难题需要新的物质。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩，也许通向标准模型之外的物理新世界的钥匙并不在它身上，而藏身于另一种粒子：中微子。

会“变脸”的精灵

中微子是宇宙中大量存在的一种不带电的基本粒子，它和电子、夸克一样，是宇宙的基本组成单元。

中微子的质量极其轻，但穿透力极强，可以跨越洲际乃至星际，完成“超长途旅行”。实际上，每秒钟都有上百万个太阳中微子自由地穿透每个人的身体，加上其他来源的中微子，一秒之内便有几万亿个穿过人体。

以不同“味道”区分的3种中微子（电子中微子、缪子中微子和陶子中微子），就像是狡黠多变的精灵，它们在飞行的过程中会不断变身，从一种味道转变成另一种味道——在物理学的术语里，这被称为“中微子振荡”。这一奇妙的振荡过程，携带着微观世界的诸多奥秘。

中微子振荡现象，是2002年诺贝尔物理学奖的获得者美国科学家戴维斯于上世纪60年代首次发现的，它是目前唯一直接超出标准模型的实验结果。标准模型要求中微子的静止质量严格为0，它们要遵循轻子数守恒，不能相互转变。但实验却发现，不同代的中微子之间是可以互相转变的，这就是所谓的“中微子振荡”。这种现象要求中微子具有质量，因此超出了标准模型。

简单地说，一个核反应堆如果产生了100个反电子中微子，当我们在1公里外观测时，只能看到95个，另外5个转换成了缪子中微子和陶子中微子。

打个形象的比方，假设中微子是一群普通青年，他们“十一”期间去郊游，到了目的地却发现人只剩下1/3，其余2/3都消失了，这就是中微子丢失之谜。后来，人们发现普通青年没丢，只是变成了文艺青年和2B青年，这就叫中微子振荡。

01 标准模型对中微子描述的第一道裂缝。

解开反物质消失之谜

目前，中微子是粒子物理的一个热点研究领域，很有可能是下一代物理的突破点。我国在这个领域已处于世界前列：2007年，我国开始建设大亚湾中微子实验，研究距离核反应堆2km处的中微子振荡；2012年3月，我国在全球首次测量到该振荡模式。

中微字振荡按照正弦和余弦的规律进行，三种振荡的振幅已经都被测量出来，不过还有两种频率尚未确定清楚。这是国内外下一代中微子实验的焦点，包括我国的江门中微子实验，日本的HyperK实验，美国的DUNE实验，还有南极的IceCube实验。如果这个频率在未来十年能够被测定，中微子振荡的下一个问题就是CP破坏，也就是正反中微子的区别，这也许能解释目前宇宙中为什么物质远多于反物质。

目前，关于中微子的研究都是基础科学领域的研究，尚未应用于日常生活中，不过，正如中微子专家、亚太物理学会杨振宁奖得主曹俊所说：“400年前，丹麦科学家第谷仰望星空30年，积累了大量的天文数据，由他的弟子总结成开普勒三定律，这成为牛顿提出牛顿力学的重要依据。谁能想到，第谷天天盯着星星看而窥得的行星运动的奥秘，400年后成为我们修造高楼大厦、桥梁、飞机、汽车、发射飞船卫星的根本？今天的科学将是明天的技术。从基础科学研究到技术转化，需要一代代科学家们的持续努力。”

就目前而言，中微子已经成为天文学和地质学的一种探测工具，超新星爆发会释放大量中微子，地球内部的核衰变也会释放中微子，这些中微子，将成为研究天体物理和地质的新工具。（来源：科通社 责任编辑/墓乔）

02 大亚湾中微子实验