大亚湾实验:辨析希微于九地之下

陈方正

大亚湾在深圳东边，有大小梅沙两个海滩，风景绝美，可是香港人对之总是神经兮兮，原因自然是那里的核电站，它们离香港只有50公里，因此在80年代建造之初曾经引起轩然大波，闹得满城风雨；去年日本福岛核电站事故爆发，又掀起新一轮恐慌。可是，上月大亚湾出现了正面的大新闻，却引不起公众兴趣，在香港，在大陆都一样。这自然是因为它专业性太强，意义不容易说得清楚的缘故。其实，这新闻是中国科学走向成熟和国际化的一个重要里程碑，是很值得关注和了解的。

中国实验科学的里程碑

到底是什么新闻呢？简而言之，就是一个以中国科学院高能物理研究所为首的庞大国际组合（包括中国大陆和港台地区、美国、俄罗斯、捷克的38支队伍，统共两三百人之多）利用大亚湾6个核电反应堆所产生的大量中微子，做了一个清晰可靠的实验，证明目前所知道的3类中微子（e, mu, tau）之中的 e中微子的确有所谓“短程振荡”。也就是说，飞行的e中微子会在一两公里那么短的距离自然地变换为mu和tau中微子，然后又变换回原来的e状态，如此周而复始，循环不息。其实，中微子之间的“长程”（数十以至数百公里）振荡，以及（mu, tau）中微子对之间的短程振荡都早已经测定了。所以，平心而论，这个发现只是人类探索物质基本结构漫长进程中的小小一步 （虽然如下面所提到，它很可能还有更重要意义），但对于中国来说，则无异是开天辟地第一步，是赶在法国、韩国等竞争对手之前完成的。这样，从80年代建造对撞机至今，经过30年努力，中国也终于在最前沿、最基本的粒子物理学实证工作上，作出决定性贡献了。

要真正明白这贡献的意义，还得从中微子的历史说起。人类所知道的第一颗微观粒子是电子，它是1897年发现的；跟着光子、质子、中子相继发现，它们全都是凭很清晰的实验来证明的。中微子却是1930年左右提出来，用以解释beta衰变过程某些特点（即能量似乎不守恒）的假设性粒子。此后由于理论上的重要性，它逐渐被接受，但始终缺乏实验证明，直到1956年方才有人利用核子反应堆所产生的巨量中微子流而把它“逼出来”。实验困难的基本原因在于：它既没有像光子那样的电磁作用，也没有像质子、中子那样的“强作用”，而只有极其微弱的“弱作用”，因此和其他物质的作用微弱到几乎等于零：它即使穿越了一光年（3×1018厘米）那么厚的铅板，平均也只会发生一次反应！然而，微观物理规律又具有奇妙的统计性质，所以，倘若有大量中微子（例如3×1018颗）碰到几米厚的探测物质，那么也尽有可能发生反应。中微子最初是在加拿大沙文那河谷（Savannah River）反应堆发现的，那里的中微子流达到1013 每秒每平方厘米，所以用大体积探测器并经过长时间观测，就得到了中微子存在的证据。

在过去半个世纪，中微子物理学又经历了两次革命。第一次是3种不同中微子的发现。上面所说的中微子是在beta衰变中伴随电子出现的，称为e中微子。但电子还有两个“大哥”，即是质量较大，性质却基本相同的mu和tau粒子，这三者统称为“轻子”（lepton）。奇怪的是，伴随这“3兄弟”出现的中微子各具不同反应性质，因此它们并不是相同粒子，分别称为e、mu和tau中微子。第二次革命则是中微子“震荡”的发现。大约从五十年代开始，太阳内部产生能量的各种核反应已经研究得很清楚。我们因此知道，太阳正如一个超巨大核子反应堆，会不断产生和发射大量中微子（而且都是e-中微子），那即使在地球上，也还可以探测到。然而，多年的实际观测却显示，太阳中微子流（即每秒流经单位面积的数目）要比理论预言的少一大截。这个谜团终于在2000年左右解开：通过加拿大和日本两地的大规模实验，证明从太阳飞来的，不但有e中微子，还有大量mu和tau中微子。换而言之，“失踪”的太阳e中微子是在飞往地球途中，通过“振荡”而变换成为其他两类中微子了。

所谓“振荡”，是指粒子在不同状态（不同类中微子可以视为处于不同状态的中微子）之间的来回变换，而且，它是和这些状态的微小质量差别密切相关的。因此，“振荡”的存在，意味中微子必然具有静止质量（本来我们以为它是零），虽然那极其微小，只相当于最轻的粒子即电子的百万分之一以下。复杂的是：在e、mu、tau等状态的中微子并没有确定的质量，它们其实是标签为1、2、3等另外3种中微子状态的组合，后面三类状态方才有确定质量。总的来说，实际上一共有6个有关中微子的物理量需要决定：即每一对状态的质量平方差，那决定振荡的频率；以及它们的相对“相角”（phase angle），那决定振荡的幅度，即变换的最大或然率。通过10多年的努力，这6个物理量基本上都已经测定，唯一剩下的就是第1和第3中微子状态之间的振荡相角theta-13。多年来它的数值被认为很小，甚至可能是零。大亚湾实验所做的，就是测定这相角（实际上是它双倍的正弦函数之平方），证明它虽然只有8.8度，但并不是零。这特殊相角并不“消失”有很深远的重要性：它使得CP-对称有可能在中微子振荡中不守恒，而这又可能令我们了解，为何宇宙间物质和反物质的数量不对称，也就是为何宇宙绝大部分是由物质构成。

科学的无用之用

这实验是怎样做的呢？基本构想非常简单，就是分别在离大亚湾核电站大约0.5~0.6公里和1.6公里的3个地下实验室，探测核电反应堆所产生的e中微子流，消除几何因素之后，从它的递减（测定结果大约是6%）就可以把相角theta-13推断出来。这貌似简单的构想实行起来却非常困难，主要原因在于所要观察的效应极小，而干扰讯号（主要来自宇宙射线）的杂音则极大，这是以前多个实验都得不到确定结果的原因。大亚湾实验所以能够成功，主要靠两个先天优势：首先，那里的核电站功率在世界前列，产生的中微子流很强。更具决定性的是，核电站位于高山旁边，因此可以挖隧道到山腹中间开辟实验室，这样探测器可以得到100~300米厚的岩石覆盖，大大减低了宇宙线的干扰。当然，要充分发挥这优势，精密设计和最先进仪器的应用也不可或缺，那就是为何需要庞大经费（单是探测仪器已需好几亿人民币），以及多国（地区）、多队伍合作的理由了。老子有云：“视之不见名曰夷，听之不闻名曰希，搏之不得名曰微。此三者不可致诘，故混而为一。”这应该说是古代思想与中微子性质（包括它的类别、难以捕捉和能够相互转变）最贴切、最奇妙的不谋而合。而孙子说“善守者藏于九地之下”，像日本的“超级神田”中微子探测器放在地下一公里的矿坑，大亚湾的中微子实验室藏身山腹，也都可谓九地之下的希微探究了。

中微子物理学是物质最根本结构探索的一部分，它从30年代发端，至今已经有80年历史，其间吸引了无数第一流心智为之废寝忘餐，所耗费资源也不断猛增，以至今日每个实验动辄以十数亿元计算。但这一切为的究竟是什么呢？在西方，探究宇宙奥秘自古以来就是大传统，它起源于对永生的盼望，其后则演变为一种理念，一种不计较实用价值，以智能、知识本身为目的的追求。这观念直到17世纪培根提出“知识就是力量”的口号方才转变。从那时开始，纯科学就显示出它的实际意义，带来无穷力量与财富了。自“五四”运动以至今日，中国人对科学的向往，都是从这角度出发的。然而，最奥妙尖端的科学，是否一定有实际用途呢？诚然，像相对论、正电子、原子裂变这些一度被认为无用的理论、发现，今日都已经成为科技应用的核心部分，甚至像时空弯曲那样深奥、微妙的理论，也成为卫星定位技术所必需了。然而，即使如此，我们无疑仍然可以追问：像中微子那样虚无缥缈，不可捉摸的粒子，或者像夸克(quark)那样永远被“幽禁”，绝对无法直接观察的事物，除了作为物理学的基础观念以外，还真能有其他用途吗？像宇宙膨胀、黑质量、黑能量那些百十万光年之外的事物，又能够对我们这渺不足道的地球和人世，产生什么直接影响吗？答案可能都是“的确没有，也不能”—虽然这一切可能就在明天，以绝对意想不到的方式改变！但在今天，我们能够说的只是：无论如何，宇宙的根本探索还是值得，还是重要的，因为满足无穷好奇心，也就是对纯粹知识的恒久追求，是人类文明最根本的动力之一。

后记：此文蒙香港中文大学物理系朱明中教授细读并提供宝贵意见，谨此致谢。朱教授不但直接参与大亚湾实验，而且在2003年即与中文大学、香港大学以及加州大学伯克莱分校的同行朋友共同推动此实验的开展。