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“隐形人”中微子“现身”

作者：黄订

来源：《发明与创新(学生版)》2012年第06期

2012年3月8日，973计划项目首席科学家，大亚湾中微子实验国际合作组王贻芳在北京宣布：大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并且测量到了其振荡几率。这一消息的发布，整个物理学界顿时热血沸腾，意味着人类了解宇宙的旅程又进了一步。

中科院理论物理所研究员李淼称，这是一个诺贝尔奖级别的成果，因为对中微子振荡前两种模式的研究都获得了诺贝尔奖。并且美国杰佛逊国家加速器实验室副主任罗伯特·麦克欧文说，这是中国本土迄今为止最重要的物理学成果。

1930年，在研究β衰变（中子在衰变成质子和电子）时，发现了能量会出现亏损。当时物理学上著名的哥本哈根学派鼻祖尼尔斯·玻尔据此认为，β衰变过程中能量守恒定律失效。

1931年春，国际核物理会议在罗马召开，当时世界最顶尖的核物理学家汇聚一堂，其中有海森堡、泡利、居里夫人等。泡利在会上提出，β衰变过程中能量守恒定律仍然是正确的，能量亏损是因为中子作为一种大质量的中性粒子，在衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子，正是这种小质量粒子将能量带走了。

泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。1933年这种粒子正式命名为中微子，1956年才被观测到。

中微子被发现后，科学家们就将其称为“是一件令人兴奋的真正的科学奇谈”。中微子是构成物质世界的基本粒子之一，与其他粒子相比，它个性十足，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界中广泛存在。

太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。中微子能以光速贯穿地球如入“无物之境”，且不带来任何影响，因此被称为“幽灵粒子”或者“鬼粒子”，有的人也把它称为“隐身人”。

在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，这使得它的检测非常困难，以致于在1956年才被观测到。这项试验由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。

中微子是一种难以捉摸的基本粒子，有三种类型，即电子中微子、μ（缪）中微子和τ（涛）中微子。1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯首次发现，来自太阳的电子中微子数目比理论预言的要少。难道中微子在飞行的过程中消失了？这个现象，就被称作“太阳中微子消失之谜”。

后来，科学家进行很多实验，证实了这一现象的存在。于是人们判断，这是因为在飞行中，部分电子中微子变成了其他类型的中微子，就像川剧里的“变脸”一样，这就是中微子振荡。

三种中微子类型可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型。根据预测，三种中微子互相“变脸”，两两组合，应有三种模式。第一种模式就是前面提到的“太阳中微子消失之谜”，1998年发现了第二种振荡模式为μ中微子和τ中微子组合振荡，被称为“大气中微子之谜”。第三种振荡模式迟迟未被检测到，曾一度被认为第三种振荡根本不存在。而在2012年，大亚湾中微子实验发现了这第三种振荡模式，即电子中微子与τ中微子组合振荡。

简单地说，与中微子混合有关。中微子的混合规律里有6个参数，其中三种混合模式各有相对应的混合角θ12、θ23、θ13。这些混合角的含义说来话长，但都是基本的物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。大亚湾中微子实验就测量出了θ13。

距离第二种振荡模式发现之日已有十几年，科学家都开始以为第三种振荡模式不存在，但是仍未放弃。在这场科学赛跑中，大亚湾实验室与其他对手相比，并非是出发最早的，但却是跑得最快的。

王贻芳曾在1990年代表参与过美国的Palo Verde中微子实验。该实验的初衷虽并非是

θ13，但却是世界上对θ13最早的一次探索。

2003年前后，为测量θ13，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案。那时，大亚湾实验还只是一个构想，停留在王贻芳和同事们的口头描述中。但到 2006年底，由中国主导、中美两国合作，100多位科学家参与的大亚湾中微子国际项目正式启动，这也是美国能源部在基础研究领域对外投资第二大的国际合作。2007年10月，大亚湾核反应堆300米外响起第一声炮，隧道开挖。

为了最大程度地屏蔽各种干扰，实验选择了大亚湾核电站。大亚湾背靠青山，可以更好地屏蔽外来粒子的干扰。探测厅建在地下，实验中用的钢材都是特制的，直径5米、高5米的巨大圆柱形探测器，被浸在一个更大的水池中。

科学家们在离反应堆较近的两个探测厅中，各放两个探测器，在1700米之外的远点探测厅，布置4个探测器。大量的中微子穿过探测器，与其中的特殊物质——液体闪烁体(以下简称“液闪”)发生反应，就会发出微弱的光，再转变成电信号，被仪器记录下来。如果近点探测器和远点探测器的结果明显不同，就说明中微子在这段旅程中“变脸”。

由于中微子几乎不与物质发生反应，所以需要一个足够灵敏、体积足够大的探测器，来捕捉它们的痕迹，因此探测器中与中微子发生反应的液闪的研制尤为重要。在此次试验中液闪是由中国自主研制的。

按实验要求，液闪需要在与中微子“互动”的同时保持稳定。这在技术上有不小的困难，以前国际上的类似实验均有液闪不稳定的记录，甚至有整个装置提前报废的先例。在此次项目中，美方合作者也表示能够研制液闪，但是最终，中方的液闪要比美方的在光学特性和稳定性上更好。

近4年的酝酿，3年的建设，1年的安装，而55天，才是进行实验的真正时间。2011年12月24日，大亚湾的探测器刚开始取数据。这正是大亚湾实验的优点：高效。

早在2011年6月15日，日本T2K中微子实验发表了θ13的测量结果，置信度有2.5个标准差。按惯例，置信度在3个标准差以下的测量结果叫迹象，处于3～5个标准差之间的结果叫证据，超过5个标准差的实验结果才叫发现。因此，T2K的这个结果只能被称作“迹象”，即便如此，这一研究仍被欧洲的《物理世界》列为2011年“十大物理突破”的第7位。后来，美国与法国也相继发布了两个类似的数据，但都因为置信度不高而未获认可。

2012年3月8日，大亚湾实验测出的θ13值为8.8度，置信度有5.2个标准差，意味着它可以被明确称作为“发现”。

鉴于θ13在揭示中微子振荡CP相位角破坏的特殊重要性，美国物理学会曾在2004年在报告中将用反应堆实验测量θ13作为未来试验的“第一优先”。

国际上在2003年以来，先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的有3个，包括中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。

在激烈的国际竞争中，王贻芳领导的大亚湾实验团队克服了重重困难，完成了探测器的建造与安装、实验数据的获取、刻度、修正和数据分析等，率先取得重大成果。

此举“使中微子物理学研究坚定地驶上了快车道”，同时也把中国粒子物理学研究水平推向世界最前沿。甚至有观点认为王贻芳团队有望摘得诺贝尔物理学奖。

诺贝尔物理学奖分外青睐中微子研究领域，在这个领域已经产生3个诺贝尔物理学奖。但中科院高能所实验物理中心曹俊研究员清醒地指出，诺贝尔物理学奖一般是给意想不到的发现，前两次获得诺贝尔奖是因为发现新的中微子，第三次获诺贝尔奖是因为首次发现中微子振荡。

与它们相比，这个实验分量要轻，能被美国《科学》杂志评为今年的10大科技突破，但可能够不上诺贝尔奖。

当然，曹俊也表示，大亚湾实验还在继续，如果运气够好，能发现什么反常现象，得出出人意料的成果，也可能获诺贝尔奖。