核心提示：3月8日，中科院高能物理研究所所长王贻芳宣布，中国大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡概率。消息一出，在国内外高能物理学界引起强烈反响，甚至有人说：“这是一个诺奖级别的发现。”李政道向高能所发来贺信，称：“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就！”
中微子热席卷全球。即便你不知道它是什么，可能也听说过沸沸扬扬的“中微子超光速”事件。中微子真的跑得比光快？爱因斯坦错了吗？“极客”们借此创造了很多关于中微子的笑话，比如，中微子说：“我回头看见上帝说：‘要有光。’”
2月24日，大亚湾中微子实验室，研究人员在装配大厅净化间内吊装高3米的有机玻璃罐
中微子在中国也火了一把。3月15日，中国科学院高能物理研究所研究员邢志忠打算做一场名为“大亚湾实验结果的唯象学后果”的理论报告。结果让他惊讶，慕名而至的科研人员和科学爱好者将教室挤得水泄不通，报告主持人、大亚湾中微子实验项目副经理曹俊研究员不得不将地点换到最大的一间阶梯会议室。这在曹俊刚从美国费米实验室回国的2003年是难以想象的。“高能物理研究基本以10年作为一个周期，从实验设想到建造设备到实验出结果。2002年诺贝尔物理学奖颁给发现宇宙中微子的科学家之后，越来越多的人意识到这个领域很有意思。10年过去了，该出结果了。”
“过去粒子物理研究主要集中在加速器上，如今加速器研究除了大型强子对撞机（LHC）之外已经告一段落，而中微子探测的技术进步了，成为一个热门领域。”中科院理论物理研究所研究员李淼说。
大亚湾实验项目三号实验大厅
不过，物理学家眼中的重大成就，对普通人而言不啻为天书。邢志忠说一个精彩的报告，应该让1/3的内容能被公众听懂，1/3专家能听懂，1/3谁也听不懂。“高能物理就是这样，有太多谁也不懂的东西。一旦你能理解，就会觉得非常有意思。”
他在报告会上打出一张自己绘制的“粒子物理学28个基本参数参考图”，这图就像是一个靶标，参数有的靠内环，有的靠外环，而他们发现的θ13处于靠近靶心的内环。“这就是大亚湾结果的重要性，我们在高能物理的历史上留下了足迹。”至于介绍θ13数值究竟是多少时，他打趣道：“大亚湾实验测得的θ13的中心值和误差，恰好是8.8度加减0.8度，就是‘三八’啊！在‘三八节’公布这个消息，刚好祝广大女性节日快乐！”
寻找“幽灵粒子”
要想理解这项轰动国内外物理学界的事情，还要从中微子是什么说起。
20世纪30年代早期，英国物理学家艾里斯（C.D. Ellis）仔细测量了放射性核衰变放射出的电子的速度。爱因斯坦告诉科学家们，质量如何根据公式E=mc2转换成能量。知道衰变核的质量和产物核的质量，取它们的差并用爱因斯坦公式，就能确定电子应有的能量，并称为E*。
但是艾里斯的发现让人吃惊：电子射出时能量永远小于E*。丢失掉的能量哪里去了？是爱因斯坦错了吗？
沃尔夫冈·泡利
当时有位大腹便便的奥地利物理学家叫做沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli），他说话尖刻，爱挑剔，自封为“吝啬鬼”，后来还得了诺贝尔物理学奖。物理学界流传着很多关于泡利的故事。据说当人们告诉他一个新的理论结果时，他会悲伤地说：“它居然没有错。”他还发牢骚说，物理太难了，他应该改行当一名喜剧演员。他挖苦过诸多同行，其中最著名的一个是关于上帝：泡利死后见到上帝，上帝依然安排他做物理学家。泡利要求上帝给他解释清楚：为什么精细构造常数（一个物理学参数）等于1/137。上帝很不高兴，走到黑板前，愤怒地写起来。开始泡利还面带微笑听讲，没一会儿，就开始剧烈地摇头。
1933年，泡利建议，有一个迄今未知的粒子，既没有强作用，又没有电磁作用，因此能逃脱探测，把丢失的能量带走，就像一个黑衣贼消失在黑暗中一样。后来，在意大利举行的一次讨论会上，当人们讨论起泡利的中微子时，有人把它和“中子”混淆了。另一位物理学大师费米不得不解释说，泡利的中性粒子应该叫“中微子”（Neutrino）。这是通过在中子（Neutron）后加上意大利语中表示“小”的词根“-ino”得到的。
物理学家们给新粒子命名时，常常很有意思。他们把强相互作用的粒子称为“强子”，该词的希腊文词根的意思是“肥胖”或“厚实”。比如，和强子词根相同的鸭嘴龙就是一只特别强大的恐龙。诸如电子和中微子这样不参加强相互作用的粒子被称为“轻子”，该词在希腊语中是“瘦、小、脆弱”的意思，比如最没有价值的硬币。他们还用“色”和“味”来形容新发现的粒子，中微子就有三种不同的味。
泡利推断出，中微子具有奇妙的性质，它只有弱作用，因此它和相遇的电子或者核子发生相互作用的概率是很小的。这正是为什么弱力称为“弱”的缘故。知道了弱相互作用有多么弱，泡利推断出中微子就像一个幽灵，能穿过整个地球而不和其他物质发生相互作用。与此不同的是，诸如人类这样的血肉之躯无法穿墙而过，是因为我们体内的原子和墙内的原子之间发生电磁作用的概率是近乎完全确定的。
泡利对自己和对别人一样具有批判态度。做出这个推断之后，他写信给朋友说他犯了一个物理学家所能犯的最大错误：假设了一个不能用实验发现的粒子的存在。他以一箱香槟酒作为赌注，担保没有人能观测到中微子。结果他输了。虽然中微子和一个原子核发生相互作用的概率很小，但也不为零。要想在如此小概率的情况下发现碰撞的情况，就需要把大量的原子核堆在中微子束前，然后守株待兔，等待那个“兔子”撞到“树桩”上。1956年，美国物理学家莱因斯和科温在地下实验室，通过观察核反应堆，设法“看见”了第一个中微子。他们第一时间从美国给远在欧洲核子中心的泡利发了封电报。泡利中断了正在进行的会议，当众宣读了这封电报，然后跟朋友们喝掉了那箱香槟。后来科温去世，莱因斯获得了1995年的诺贝尔物理学奖。1962年，美国布鲁克海文实验室的科学家莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格在实验室制造出中微子束，他们三人获得了1988年的诺贝尔物理学奖。
泡利还推断出中微子没有质量，因为在艾里斯的实验中电子能量偶尔会达到E*。如果中微子有质量，根据爱因斯坦的观点，部分能量要用来产生中微子的质量，留给电子的质量就要小于E*。美国小说家约翰·厄普代克对中微子着迷，还写了一首名为《宇宙的烦恼》的诗赞美它，很好地阐释了它的性质：“中微子，它们很小/它们没有电荷，没有质量/并且完全不相互作用/地球对它们来说就是一个傻球/想穿过就穿过/就像清洁工走过大厅/或者光子穿过玻璃/它们怠慢最优雅的气体/无视最坚固的墙/无语的钢和响亮的铜/在马厩里欺负小马驹/辱骂等级的堡垒/穿过你和我/就像高旋的无痛铡刀/切过我们的头来到草地上/夜间，它们到了尼泊尔/从床下面刺穿情侣——/你说这真奇妙，我说真了不起。”
发现“中微子振荡”
中微子被发现之后，又成了一个捣乱鬼。上世纪60年代末，美国物理学家雷蒙德·戴维斯在美国南达科他州地下1500米处的一个废旧金矿中安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳中微子会被氯-37原子核内的中子吸收，使后者变成一个质子，并释放出一个电子。然后，氯-37就变成了氩-37。物理学家想办法数一数产生了多少氩-37，就会知道这个装置吸收了多少中微子。扣去自然界中原有的中微子数量，戴维斯得到的结果是平均每天吸收0.5个太阳中微子，一年才180多个。
雷蒙德·戴维斯
这个结果让物理学家感到困惑，根据他们对太阳模型的理论计算，探测到来自太阳的中微子只有预期的1/3。其余的中微子跑到哪儿去了呢？这个困扰了科学家几十年的问题，被称为“太阳中微子失踪之谜”。物理学家最先想到的是修改太阳模型，但是很快宣告失败。
除了太阳中微子之外，在宇宙中，有很多能量非常高的宇宙射线，它们进入地球的大气层后，会打出中微子，称为大气中微子。从上世纪80年代起，人们就发现大气中微子没有我们预计的多，称为“大气中微子反常”。
上世纪60年代，意大利物理学家布鲁诺·庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念。他最早是费米的助手，1950年投奔了苏联，不知所终。他认为某一种特定中微子可以转化为别的中微子，人们所探测到的中微子可能只是处于某种形态的中微子的一部分。
直到1998年，日本的超级神岗实验以确凿的证据证明庞蒂科夫理论的正确性。中微子共有三种类型，它的脾性非常奇怪，可以在“飞行中从一种类型转变成另一种类型”，这就是专家们所说的“中微子振荡”。你可以想象有一群马在奔跑，一会儿变成一群牛，一会儿又变成一群羊，一会儿又变成一群马。戴维斯的实验仪器只能发现其中的一种中微子，当中微子变身后，就探测不到它们了。超级神岗实验的发现使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释。戴维斯和超级神岗实验的领导者小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
中微子的三种振荡模式，之前人类已经发现了两种，第三种振荡模式一直没有被发现。2003年，有专家提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子来寻找中微子的第三种振荡。
大亚湾实验胜出
全世界的物理学家们曾先后提出8个实验方案来寻找第三种中微子振荡，“大亚湾实验”最终胜出。美国能源部放弃支持本国的两个实验方案，转而支持美科学家加入大亚湾实验的合作。
大亚湾独特的实验条件起了重要作用。“这里有世界第二大反应堆群，核裂变发电时会产生海量的中微子，而中微子越多，实验精度就越高；大亚湾紧临高山，山高达100米以上，靠天然岩石覆盖即可屏蔽绝大部分的宇宙射线干扰，工程只需钻山挖隧道而不用掘地百米。在全世界的反应堆中，同时具备这两个条件的极为少见。美国的核电站很多，但是找不到一个能跟大亚湾相比的。”曹俊说。
去年8月，大亚湾中微子实验投入运转。这个实验合作组由全球6个国家和地区的近40家科研单位，约250名研究人员组成，是中美在基础研究领域规模最大的合作之一，是美国能源部在国外投资第二大的粒子物理实验项目。该实验共准备了8个中微子探测器，这次投入运行的有6个，每个总重110吨，安装在蓝莹莹的巨型水池中；水池里灌满超纯水，池壁上安装着光电倍增管，像眼睛一样记录下发生的一切。大亚湾核反应堆一天所产生的中微子约为10的26次方个，临近核反应堆的每个中微子探测器可以捕捉到其中近1000个中微子的行踪。
“寻找θ13简单来说就是看看从反应堆中出来的中微子，好比是100匹马，跑了一段距离后还剩多少个，其它的则变成了牛，变成了羊，我们探测器看不到。”曹俊说。在大亚湾实验室，θ13被作为徽标，印在所有工作服和安全头盔上。
在2003年，研究人员一般认为θ13可能非常小，为了给未来的中微子实验指明方向，国际上提出需要将测量精度提高到0.01。“这代表着在100个捕捉到的中微子中，哪怕少了1个，我们也能发现，积累起足够多的数据，最终计算出θ13的精确值。”目前只有大亚湾实验能达到这一精度，法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验虽然条件和设计精度远不如大亚湾，但是不愿放弃，也存活了下来。“同一个测量有8个竞争方案，最后有3个实验做同一件事，在高能物理界是很罕见的。”
去年6月，日本同行T2K实验出人意料地发布结果，说观测到了6个电子中微子事例，说明θ13可能比较大，θ13不为零的概率为2.5倍标准偏差。按照国际高能物理学界的惯例，置信度在3倍标准偏差以下的测量结果叫“迹象”，处于3到5倍标准偏差之间的结果叫“证据”，只有超过5倍标准偏差的实验结果才能叫“发现”。“这就相当于一个人身高1.6米，我测量他是1.4米或者1.8米才叫发现，如果测量只有0.8米就不叫发现。”李淼说。
“一般实验是不会这样公布结果的，不管怎样也要再取点数据，达到3倍标准偏差的确认水平，然后宣称：我们发现了第三种振荡模式。”但是日本3月份的地震不仅震出了福岛核电站事件，也震坏了散裂中子源的加速器，而这个加速器是给T2K提供中微子源的。“日本比较不走运，因此发表了这个‘半吊子’结果。美国的MINOS实验也因此仓促地放出了一个非正式的报告，也倾向于θ13不为零，概率为1.7倍标准偏差。还有法国的实验，也报告了1.7倍标准偏差的结果。”曹俊评价道，“大亚湾实验的设计精度远高于另两个反应堆实验，实验规模也大得多。一旦大亚湾发表初步结果，就比这两个实验运行三年的最终结果都要更可靠、更精确。因此，国外同行要想方设法地在此之前做点成绩出来。”
最终，大亚湾不负众望，最终胜出。结果公布之后，知名学术期刊《科学》杂志发表文章，称大亚湾研究团队击败了其他团队，第一个精确测量到第三种中微子振荡概率，“标志着中国粒子物理的时代业已到来”。
未来中微子有什么用？
至于研究中微子究竟有什么用，李淼说：“和解释‘CP破坏’有关。这个结果让CP混合角的测量成为可能，给如何设计下一步实验提供了指导。”许多物理学问题能够揭露世界的本质，CP破坏就是其中之一，它具有深刻的哲学含义。当宇宙大爆炸发生时，根据粒子物理规律，正反物质应该成对产生，是一样多的。可是我们现在的宇宙中，有如此多的物质，并没有发现大量反物质存在的迹象。那么反物质哪里去了？
1967年，被誉为“苏联氢弹之父”的物理学家萨哈罗夫提出，如果满足三个条件，就能解释为什么现在的宇宙里物质大大多于反物质，其中有一个条件就是CP破坏。“如果能进一步测得CP混合角，我觉得就可以和大亚湾的研究一起获得诺贝尔物理学奖。”李淼说。
不过，公众更关心的是他们听得懂的东西，甚至有媒体追问中微子和人体健康之间有没有联系。这令邢志忠和曹俊面面相觑，哑然失笑。在他们眼中，基础研究的重要性要远远大于它的实用性。曹俊曾写道：“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，这是牛顿提出牛顿力学的重要依据。谁能想到，天天盯着星星看而窥得的行星运动的奥秘，几百年后却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？当我们窥探到了宇宙运行的奥秘，也许几十年或100年后，中微子带给我们的知识，会同样融进我们生活的方方面面。”
他们在美国的同行也面对这种追问，于是他们制造了中微子“电话”。3月初，芝加哥郊外的费米国家加速器实验室用中微子束向1公里以外发送了一个信息，信息内容是以二进制编码的英语“Neutrino”。他们用开启中微子束代表二进制系统中的1，关闭代表0。因为中微子几乎能穿透遇到的任何物体，利用中微子束发送信息，能够直接穿过地球或者其他行星。原则上，可以在没有卫星或光缆时，贯穿地心来和地球另一面的人进行直线交流，也可以让潜艇在海洋深处潜伏时进行远距离通信，还可以和未来月球基地进行直接通讯。
还有人提出，可以用中微子来给地球做CT，或者探测石油。比如，把一束中微子穿过圆形的地球，并在穿过一定距离时对它加以研究。由于石油和岩石具有不同的原子核结构，所以穿过的中微子数目将在原则上告诉我们，中微子束是否穿过了一个石油矿。在目前产生和探测中微子困难重重的情况下，这一设想仍然富有相当大的未来色彩。但是谁知道呢？中微子可能会有一天用在我们根本想象不到的地方。
（部分内容参考A.Zee《可畏的对称》一书）
（原文链接：http://www.lifeweek.com.cn/2012/0329/36810.shtml） |
