发现中微子震荡,一波三折

《工人日报》(2015年10月30日 06版)■ 曹俊
分享到:


   

编者按:宇宙诞生时,正反物质成对产生,是一样多的,但现在我们的宇宙几乎找不到反物质的踪影。中微子振荡中会出现一种称为“CP破坏”的现象,导致正反物质的行为不对称。是不是中微子振荡导致了反物质的消失,是宇宙起源必须解决的关键问题。因为中微子振荡的重要性,今年的诺贝尔物理奖授予了发现大气中微子振荡的梶田隆章和证实太阳中微子振荡的阿瑟·麦克唐纳。

中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,质量非常轻,不带电,以接近光速运动,可自由穿过地球,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。

中微子振荡现象的发现,揭示了微观世界一个全新的规律,对宇宙和天体的起源与演化也有重大影响。所以,在为我国科学家屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖而欢呼之时,有必要把关注的目光移挪到微粒子上。虽然,它离我们的生活貌似有些远,但是它可以轻松地从太阳核心穿出,告诉我们太阳的秘密。


科学家们长久地在思考,太阳的能量是哪里来的?直到几十年前,科学家们仍在争论这个问题。

20世纪初物理学的突飞猛进,让英国的爱丁顿提出了更合理的假说:太阳的能量来自氢核聚变。接下来的20年,一个又一个的理论困难被解决,1939年德国科学家贝特等人提出了完整的机制:氢核通过质子-质子链反应和碳-氮-氧循环反应,聚变成氦原子核,从而释放出巨大的能量。但要验证这个理论机制,似乎是一件无法完成的任务。

幸好有一种神秘的粒子,它可以轻松地从太阳核心穿出,告诉我们太阳的秘密,它叫中微子。1930年,奥地利科学家泡利为解释核衰变中能量似乎不守恒的现象,预言了这样一种“永远找不到”的粒子。26年后,费尽千辛万苦,科学家还是在核反应堆旁找到了中微子存在的证据。

假如贝特的理论是正确的,我们可以根据太阳释放的能量,精确地计算出太阳释放出多少中微子,以及它们的能量分布。计算得到的数字让人惊讶:尽管地球离太阳这么远,每一秒钟依然有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体。

1968年,美国的戴维斯在一个废旧金矿中观测到了来自太阳的中微子,证实了爱丁顿和贝特关于太阳能量来自氢核聚变的理论,因此荣获2002年诺贝尔奖。

戴维斯找到太阳中微子后,却发现了一个大问题:测到的中微子数仅有预期的三分之一。这被称为“太阳中微子失踪之谜”。

是贝特的太阳模型不对?还是戴维斯的实验测量不准确?还有一种解释,就是中微子发生了振荡,从一种中微子变成了其他中微子。太阳产生的中微子是电子中微子,自然界还存在另外两种:缪中微子和陶中微子。

1957年,叛逃到前苏联的意大利物理学家庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念。假如中微子有质量,而且不同中微子存在混合的话,中微子就能在飞行过程中自发变成另一种,还能变回来,像波一样振荡。由于这些探测器对缪中微子和陶中微子不灵敏,太阳中微子振荡成其他中微子后,就像是丢了一样。

用中微子振荡解释太阳中微子丢失听起来很合理,但一定量分析又不对。首先,不同的实验虽然都看到中微子减少了,但减少的程度却不一样,无法同时解释这些实验结果。其次,太阳很大,不同地点产生的太阳中微子处于振荡的不同位置,我们看到的应该是平均效果,最多只会丢一半,而戴维斯看到的是丢了三分之二。

很长一段时间,太阳中微子失踪之谜一直困扰着科学家。

上世纪70年代末,日本的小柴昌俊提出进行神冈实验,来寻找质子衰变。神冈实验没有找到质子衰变,但是发现了一个奇怪的现象:来自太空的高能宇宙射线在地球大气层中会产生大量中微子,称为大气中微子。质子衰变即使有,也是极其稀少的,必须非常干净地去掉各种假信号,因此需要准确估算大气中微子会带来多少假信号。

1988年,小柴昌俊的学生、29岁的梶田隆章在分析数据时发现,测到的中微子比预期少,被称为“大气中微子反常”。梶田当时很自然就想到是不是中微子振荡,但是没有最终定论,主要原因在于,首先是预测大气中微子的产额比较复杂,有可能计算不准确;其次是理论家们不相信。

如果不是大自然的慷慨,大气中微子反常之谜也许还要延续很久。

就在小柴昌俊退休前不久,银河系的小兄弟大麦哲伦云内有一颗恒星走到了生命的终点,它的临终挣扎就是超新星爆发——SN1987A。它的光芒盖过了整个星系,肉眼就可见到。这是400年来观测到的最明亮的超新星。神冈实验观测到了11个它发出的中微子,证实了超新星爆发会产生极其多的中微子。

超新星在宇宙演化中非常重要。主流的理论认为,它的爆发需要中微子助力才能发生,但同太阳中微子一样,需要证据证实。小柴昌俊因“观测到来自宇宙的中微子”,与戴维斯一起分享了2002年诺贝尔奖。

因为这个成果,日本政府同意小柴昌俊建造一个大得多的新探测器——超级神冈。

1998年6月,梶田隆章代表超级神冈在国际中微子大会上报告,以确凿的证据发现了大气中微子振荡。超级神冈测到了足够的大气中微子,显示了它的丢失比例随飞行距离的变化,而这是中微子振荡的关键特征。

在发现大气中微子振荡3年后,阿瑟·麦克唐纳领导的加拿大萨德伯里实验宣布找到了失踪的太阳中微子,证实了太阳中微子振荡。

至此,中微子振荡得到了完全的证实。