浅谈宇宙中微子：神秘的中微子

伤我心太深

James Trefil和Wanda O'Brien-Trefil　文　Shea　编译
天文学家正在研究来自超新星爆发和其他高能现象的亚原子粒子，但这些粒子极难探测。

通过仰望苍穹，我们认识了宇宙。这同时也意味着我们的认识取决于我们所观测的信号以及它们自身所携带的信息。从远古至今，光一直就是这样一位孜孜不倦的“信使”。
使用肉眼和望远镜，我们一直在探测可见光下的宇宙。但是它们只是通向宇宙的一小扇窗户。20世纪当人类在地球上建造了射电望远镜并且发射卫星把探测器送出大气层时，宇宙展现出了它更多姿多彩的一面。红外观测数据向我们展示了贯穿我们银河系的低温气体，高能γ射线则书写下了遥远星系中的剧烈爆发。所有这些辐射都携带了它们发出地的信息。但我们的大气层会吸收除了可见光和射电波之外的绝大部分辐射。

浅谈宇宙中微子：神秘的中微子

[图片说明]：太阳能源来自于其核心的核聚变反应。这些反应会产生中微子。版权：SOHO/JESA/NASA。

所有的地面和空间天文台都有一个共同点，它们所探测的都是电磁波谱中的某一段。但现在天文学家们正在打开一扇不依赖于电磁波的新窗户，而充当“信使”的则是宇宙中一种难以捉摸的粒子——中微子。
神秘的中微子
中微子是由放射性衰变和核聚变过程所产生的诸多粒子中的一种。它不带电荷，几乎没有质量，与物质的相互作用也极其微弱。一个中微子可以穿过数光年厚的铅层而不“惊扰”其中的任何一个原子。
20世纪初当物理学家把一次放射性衰变前后的能量和动量加起来的时候，他们发现两者无法平衡。于是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出一种尚未被探测到的粒子带走了这部分不见了的能量和动量。科学家们给这种假想中的粒子起了个名字叫“中微子”，意思是“中性的小不点儿”。

浅谈宇宙中微子：神秘的中微子

[图片说明]：活动星系半人马A的多波段合成图像（左）以及它分别在X射线（右上）、射电（右中）和可见光（右下）波段上所显现出的不同特征。版权：X射线：NASA/CXC/CfA/R.Kraft等人；射电：NSF/VLA/Univ.Hertfordshire/M.Hardcastle；可见光：ESO/WFI/M.Rejkuba等人。
然而由于和物质的相互作用极其微弱，因此探测中微子几乎就成了不可能的任务。事实上，直到1956年科学家使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到了这些粒子。物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。从那时起，物理学家开始可以更好地探测并且制造出这些难以捉摸的粒子了。
那么这和天文学又有什么关系呢？其实，宇宙中许多最重要的过程——从驱动恒星的核聚变反应到产生重元素的超新星暴发——都会释放出中微子这一“副产品”。而事实上，宇宙中也充满着中微子。于是你就可以把它们当成是自然界中的另一个信使，只不过它们所携带的都是和核反应以及剧烈现象有关的信息。
两面性
中微子的难以捉摸既是一个好消息也是一个坏消息。一方面，中微子不与物质发生相互作用意味着它们可以轻易地逃离产生它们的地方并且把信息传递给我们。例如，太阳中心核聚变所产生的中微子可以毫发无损地穿越太阳的外部包层以及地球大气。探测它们使得我们可以直视太阳的心脏。
同时，中微子还可以不受充斥在宇宙中的微波辐射的影响穿行于星系之间。星系的磁场不会对它们造成影响，但对于普通带电粒子（例如质子和电子）却并非如此。这些特性使中微子成为了携带宇宙中最剧烈现象信息的理想载体。这些现象包括了活动星系核以及会产生γ射线暴——宇宙中最猛烈的爆发——的黑洞并合。
这是好的一面。坏的一面是，由此对中微子的探测也会变得极为困难。

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[图片说明]：美国的萨德伯里中微子天文台（SNO的）在2006年停止运转，计划进行升级。SNO和SNO+的主要区别是探测材料。版权：Lawrence Berkeley National Lab/Roy Kaltschmidt。
当你读到这儿的时候，正有几十亿个的中微子在穿过你的身体。其中绝大部分来自太阳，一些来自遥远的星系，还有的甚至还可能来自宇宙最初的大爆炸。从出生的那一刻起中微子就在不断地穿过你的身体，然而在你的整个一生中只有少数的几个中微子会和你身体中的原子发生相互作用。探测这些相互作用并且把它们和其他的效应区分开是中微子天体物理学的核心要务。
如果我们想透过中微子的窗口向天空望去，就必须要先解决两个问题。其中显而易见的一个就是中微子极难与物质发生相互作用。解决的方法很简单。如果一个中微子和一个给定原子间的相互作用概率非常低，那么就可以通过在一个大探测器中放入巨量的原子来使得中微子和物质的相互作用变得更频繁。
第二个问题则更加微妙。当我们“探测”到中微子时，我们实际上看到的是原子所做的反冲运动或者是由中微子引发的一次原子核反应。随之而来的是，是否还存在其他的东西也能造成同样的结果？例如，被称为“宇宙射线”的高能粒子也在不断地轰击地球表面。搞清楚哪些效应是宇宙射线引起的并且把它们从中微子造成的反应中区分开并不是一件容易的事情。科学家们将其称为“背景”问题。
寻找“九牛”之“一毛”
20世纪60年代开始，美国宾夕法尼亚大学的雷·戴维斯（Ray Davis）为解决这些问题进行了首次尝试。他为中微子设定的标靶是一大罐四氯乙烯——一种干洗化学剂和氯的原料。戴维斯开玩笑说，如果他的实验失败了，他总还可以加入清洁工的行列。
为了应对背景问题，戴维斯把他的实验放到了位于美国南达科他州霍姆斯特克金矿地下1.6千米深的地方。在那里有厚厚的岩层“保护”着实验装置。他的目标是要寻找太阳中心核聚变反应所产生的中微子。在他充满液体的大罐子里，每一天这些太阳中微子会把一个氯原子转变成一个氩原子。为此他不得不在这片清洁剂的海洋中寻找这些孤独的氩原子。与之相比，“大海捞针”简直就是儿戏！

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[图片说明]：日本的超级神冈探测器使用了11,146个光电倍增管来作为光探测器。这一实验开始于1996年，在2001年由于大约一半的光电倍增管在一次连锁反应中爆裂而终止。差不多一年之后，探测器得以修复。照片为已几乎装满水的超级神冈探测器（2006年）。版权：Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo。
就像以往科学家探索新疆域一样，戴维斯的实验结果出乎了所有人的预料。他确实探测到了太阳的中微子，但在此过程中他还发现一个与中微子和太阳有关的重要现象。戴维斯的实验仅仅探测到了中微子预期数量的三分之一。是他的实验出了问题吗？还是物理学家对于能探测到多少中微子的计算出了差错？抑或是我们并没有完全了解这其中的物理学？最终发现中微子其实有三种，不同的种类之间可以转化。这一发现已经成为现代物理学的理论基石。戴维斯也因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。
继戴维斯的成功之后，物理学家们又建造了第二代中微子探测器。所有的都是深藏于北美、欧洲和日本地下的大质量标靶探测器。许多人采用了一种新的探测策略，即用超纯水作为标靶。
当中微子从水中穿过的时候通过核反应会产生出一个带电粒子。在水中这个粒子会发出锥形的蓝色光脉冲，即切伦科夫辐射——以俄罗斯物理学家帕维尔·切伦科夫（Pavel Cerenkov）命名。围绕水箱放置的一系列探测器会探测这些辐射。这些实验的策略很简单——大量的水既能作为和中微子相互作用的标靶，也能用作探测这一相互作用产物的媒质。有了这些以及其他类似的仪器，宇宙的中微子窗户正在徐徐打开。
冰：天然的实验室
不过，当涉及要搜寻和极端剧烈的现象相关联的罕见中微子时，超纯水探测器虽然很巨大，但对于这个任务而言还是太小。这些由高能现象发出的中微子非常稀有，如果使用几十米见方的水箱，那么科学家也许不得不要等上几十年才会有一个这样的中微子和水箱中的一个原子发生相互作用。因此现在需要的是一个能覆盖几千米见方巨大体积的探测器。
位于南极的“冰立方”中微子天文台包含了一立方千米的冰，可能是有史以来所建造的最壮观的天文仪器。在这个探测器中，冰取代了以往探测系统中的超纯水做为探测标靶和监测中微子相互作用产物的媒质。

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[图片说明]：“冰立方”的整体概念图。版权：IceCube。

那么，为什么要选在南极？为了寻找高能中微子，科学家们需要一立方千米的透明标靶物质。而科学家们建造不出如此巨大的一个探测器，于是便转向大自然求助。南极地区的冰层可以达到2,800米厚，而且现在定期飞往南极的运输航线也已经不再是一个问题。
建造“冰立方”的技术说起来其实很简单，但做起来却要难得多。工程人员会使用高压热水在冰层上钻出一系列2,450米深的洞，每一个大约要耗时40个小时才能完成。随后，一条连着60个探测器的电缆会被放入每个洞中，之后其周围的水会再次封冻。当中微子触发了与冰中的一个原子的相互作用时，所产生的粒子就会发出闪光，而这一闪光就会被探测器记录下来。根据这些数据，位于冰面的计算机就可以重建出每个中微子的特性。例如，它们可以确定出中微子的能量和入射的方向。
在第一批探测器被放置到冰层下之后，科学家们发现探测器的工作不正常，这着实引发了不大不小的惊慌。后来发现，原来是冰层中的微小气泡在信号到达探测器前就散射了这些光。幸运的是，在深度超过1,400米的地方，冰层的压力非常高，任何气泡都会被压破，在那里可以观测到清晰的信号。因此，“冰立方”的顶部始于冰面下方1,450米，然后在这个基础上再向下延伸1,000米。
到2008～2009年南极的夏季结束时，工程人员已经安装了计划中80根探测电缆中的59根。整个计划已于2010年底完成。不过即使当初只有部分仪器被安装到位，科学家们却已经开始采集数据了。

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[图片说明]：在南极冰盖上向下钻探2,450米之后，科学家会把一串挂有60个探测模块的电缆放入这个洞中。截至2009年初，80根电缆中已经有59根完成了放置。版权：IceCube。
“冰立方”看到的绝大部分中微子都是由地球大气所产生的大气中微子。入射的宇宙射线和其他的碰撞会引发核反应。这些事件远多于入射中微子所引发的相互作用，它们的比例超过了500,000比1——一个严重的背景问题。因此，“冰立方”的科学家也在寻找由下往上朝向冰面运动中微子。这些中微子是穿过了整个地球才到达“冰立方”的，没有其他种类的粒子可以做到这一点。于是，地球“自然”地屏蔽掉了会干扰探测的背景噪音。
这一设计的惊人一面是位于南极的“冰立方”可以探测到发生在北极的广延大气簇射。这些事件是由于超高能宇宙线轰击北极上空的大气造成的，由此引发的核反应会产生数百万个向下运动的粒子。其中一些中微子就会穿越地球被另一端的“冰立方”探测到。
科学家预期在大约10年的时间里它可以观测到超过100万个的高能中微子事件。这将为我们提供一个分析宇宙中最剧烈现象的庞大数据库，并且还有可能会引发新的物理学革命。
不过，正如过去我们打开其他新的宇宙窗口时所遇到的，打开中微子窗口时将会发现的最重要的东西一定是我们始料未及的。
（本文删减版已刊载于《中学科技》2010年第5期）