以中微子看宇宙

在2002年，诺贝尔基金会把物理学奖颁发给雷蒙德·戴维斯与小柴昌俊，当时他们可供赞颂的贡献很多。戴维斯因侦测到太阳中微子而成名，小柴昌俊则发现了1987年超新星爆发所释放出来的中微子，这些成果是实验上的精彩杰作。不过，诺贝尔基金会特别表彰的是，雷蒙德·戴维斯与小柴昌俊为世人建立了一门全新的科学：中微子天文学。

在他们的努力下，中微子从理论上的新奇事物，摇身一变成为探索宇宙的实用工具。科学家研究中微子，除了要搜集这些粒子的性质，现在更要用来揭露宇宙潜藏的某些奥秘。一个世纪前，天文学家建造的是大型光学望远镜；而今，天文学家为了看见新的事物，设计与制造出庞大的中微子望远镜，这些望远镜已经侦测到成千上万的中微子，还利用中微子拍摄出太阳的影像。过去的仪器很难把来自地球之外的中微子与源自地球高层大气的中微子区别开来，但到了2011年，这些仪器已经有能力做到这件事。

新的发现蜂拥而至，而中微子这种曾被认为无法观测的粒子，现在已经变得不可或缺，因为有些东西无法透过光看见，但中微子可以。当我们利用光来研究太阳时，我们只看得到它的表面，也就是最表层数百千米的气体。太阳中心核反应产生的能量驱动了阳光，而阳光则沿途不断受到各气层的吸收和发射，因此只有在穿出外层气体后，才能自由穿越太空。相对而言，通过中微子这双“眼睛”，我们得以直接看见太阳中心的核聚变引擎，那是太阳内部温度最高的区域，只占了太阳体积的1%。

中微子也能让我们透视超新星的内部、伽马射线爆发之类的恒星爆炸事件，以及围绕于超大质量黑洞周边的气盘。但是，我们得花些时间才能熟悉中微子的特性。

对粒子物理学家而言，中微子类似电子，不过它不带电荷，因此主导日常生活的电力和磁力对它不会发生作用。当你坐在椅子上时，电的斥力使你不会穿过椅子而跌倒；发生化学反应时，原子会交换或共享电子。当物质吸收或反射光线时，带电粒子会与振荡的电磁场反应。至于不带电的中微子则会穿透固态物质，因此中微子在原子或分子物理中并不扮演任何角色，而且几乎是完全不可见的。

已知形态的中微子会参与弱核作用，这种作用与放射性B衰变以及重元素融合有关，但除非距离极短，否则弱核力是非常微弱的。因此，中微子几乎不与其他物质作用。想侦测中微子，物理学家和天文学家得监测体积庞大的物质，寻找中微子在这些物质中遗留下来的稀少痕迹。如果像天文学家预期的那样，所有宇宙中微子的能量和宇宙射线的能量相当，那么从1立方千米的物质中只能捕获一件清晰的样本，最大的望远镜的体积则与此相差不远。

天文学家也假设有其他类型的中微子：惰性中微子。这种中微子性情冷淡，甚至几乎不与弱核力作用，重力或许是它们和宇宙中其他东西的主要联结。所以，侦测这类中微子的挑战性更高。

尽管性情淡漠，但中微子在这出宇宙大戏中却是积极的参与者。它们是B衰变的重要副产物，而B衰变除了会加热恒星爆炸的残骸与行星内部，更是恒星核聚变反应的重要步骤。大质量恒星在生命尽头发生内爆所产生的超新星，主要类型有两种，而中微子在其中一种的生成过程里也扮演了关键性的角色。内爆将恒星核心压缩成核子般的密度，并在10秒～15秒内释放出10⁵⁸个中子。在这种环境下，即便是最孤傲不群的粒子，也会被迫参与这场盛宴。在这种爆炸事件所释放出的总能量中，中微子就占了99%，也就是说，用中微子望远镜进行观测，就能看到一般望远镜错失的99%的图像，其中包括关键的早期演化过程。科学家观测1987年超新星爆发事件所释放出的中微子，便确立了恒星坍塌的基本理论。目前的中微子望远镜，则可以提供恒星坍塌、反弹及爆炸的实时动态影像。

（裘枫 插图）