发现中微子振荡

李玉峰

2015年的诺贝尔物理学奖授予日本科学家棍田隆章（Takaaki Kaiita）和加拿大科学家麦克唐纳（ArthurB.McDonald），奖励他们在实验中发现中微子振荡现象，从而证明中微子具有非零的静止质量。

1998年6月棍田隆章代表日本的超级神冈探测器（Super Kamiokande）在“国际中微子物理和天文学大会”（Neutrino98）上首次确凿地给出高能宇宙线在地球大气层产生的大气中微子的消失现象；2001-2002年间，麦克唐纳领导的加拿大萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory，SNO）发现太阳核心核聚变产生的电中微子也出现了消失现象，并且首次证明丢失的中微子变成了其他类型中微子，从而解决了持续三十余年的“太阳中微子失踪之谜”。

作为自然界最神秘的基本粒子，中微子曾多次进入普通公众的视野。灾难电影《2012》描述了地球世界末日发生时惊心动魄的场景，“灾难制造者”中微子也广为人知；作家刘慈欣的畅销科幻小说《三体》描述了使用中微子进行星系间通信的美好场景；2011年发生的OEPRA实验中微子超光速闹剧，由于其震撼性，迅速超越科学领域，被普通公众广泛关注。最终此次事件以电线插头的错误而结束，OEPRA实验组的发言人也被迫辞职，令人唏嘘。

公众对中微子的印象略显片面、夸张并且有失真实性。太阳核心燃烧产生的中微子如果能传到太阳表面从而到达地球，必将畅通无阻地穿过地球，而能产生《2012》场景的中微子在到达地球之前已经可以使太阳自身发生爆炸。中微子可以穿过任何物体的阻挡，因而可以作为传递信息的理想载体，但另一方面也正由于其难以捕获，短期内无法作为实用的通信工具。

中微子与诺贝尔奖

中微子物理似乎一直是诺贝尔物理学奖的宠儿，在介绍2015年度诺贝尔物理学奖工作前，先来回顾一下前三次中微子与诺贝尔物理学奖的故事。

1930年。为了解决原子核衰变中能量不守恒问题，奥地利物理学家泡利（Wolfgang Pauli）首次提出自然界存在中性微小粒子的假说，后来费米（EnmcoFermi）将其命名为中微子。1956年，美国物理学家莱因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Cowan）首次通过核反应堆中微子实验证实了中微子的存在。莱因斯因此获得1995年度诺贝尔物理学奖，考温已于1974年不幸逝世。

1950年代，意大利物理学家蓬捷科尔沃（BrunoPonteeorvo）提出伴随u子产生的中微子不同于原子核衰变产生的中微子的想法，并建议使用新建的加速器进行验证。1962年，美国哥伦比亚大学的莱德曼（Leon Lederman）、施瓦茨（Melvin Schwartz）和施泰因贝格尔（Jack Steinberger）等人，用高能质子束打击铍靶产生1T介子，并控制π介子的衰变以产生中微子束流。观察结果表明，伴随π介子衰变所产生的中微子，与原子核衰变中所产生的中微子是不同的；称前者为u中微子，后者为电中微子。1988年，莱德曼、施瓦茨和施泰因贝格尔因u中微子的发现而获得诺贝尔物理学奖。

1946年，蓬捷科尔沃提出使用反衰变的方法直接测量中微子，并建议使用氯原子核进行实验。美国化学家戴维斯（Raymond Davis）使用此方法进行了一系列尝试，在多年探测反应堆中微子无果后，转而进行太阳中微子的测量，最终于1968年使用盛满纯四氯乙烯的容器做探测器首次观测到太阳内部核聚变产生的中微子。1987年2月23日，日本物理学家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）领导的神冈中微子探测器（Kamiokande）捕获到大麦哲伦星云爆发的超新星发出的11个中微子。因太阳中微子和超新星中微子的探测，戴维斯和小柴昌俊获得2002年度诺贝尔物理学奖。

消失的中微子：中微子去哪了

失踪的太阳中微子

太阳给人类带来赖以生存的光和热，但是其能量究竟来自哪里，一直是人类关注的焦点。诺贝尔物理学奖获得者、物理学家贝特（Hans Bethe）在1939年提出氢核聚变的物理机制，指出在太阳核心高温高密度区域，氢原子核有条件发生聚变反应，从而放出大量的能量，此后经过数万年的传递，热量才可以从太阳核心传递到太阳表面，成为可以直接辐射地球的“太阳光”。这个理论看起来很完美，但是我们终究无法深入到太阳内部去探究其发生的具体过程。幸亏还有中微子，这种自然界无处不在的幽灵粒子也存在于太阳聚变燃烧反应中，科学家称这种中微子为“太阳中微子”。太阳中微子可以几乎不受影响地以接近光速的速度从太阳内部传播到表面，最终到达地球。在地球表面，每秒有上万亿的中微子穿过每个人的身体。

早在1968年戴维斯探测到太阳中微子之时，科学家就发现探测到的中微子数目只有理论计算数值的1/3左右。太阳中微子的理论计算来自于戴维斯的亲密合作者、天体物理学家巴考尔（John Bahcall）。利用一种太阳演化的精细计算模型，巴考尔及其同事计算了不同能量的太阳中微子到达地球的数目。由于太阳中微子会与氯元素发生反应并释放出放射性氩原子。所以他们还计算了戴维斯实验中盛满四氯乙烯的巨桶中氩原子的个数。巴考尔预测太阳中微子每天能产生大约1，5个氩原子。精于化学微量元素提纯的戴维斯可以直接提取这些含量极其微小的反应产物。通过每两个月左右进行一次测量，发现探测器每天产生约0，5个氩原子。理论和实验存在3倍的差距，这被称为“太阳中微子失踪之谜”。

戴维斯的实验持续了20余年。一直运行到1995年。实验结果保持稳定，每天产生0，5个左右的氩原子。此外，意大利和苏联的两个镓原子核探测器、小柴昌俊的神冈中微子探测器也都进行了太阳中微子的探测，发现实验观测数目都小于太阳模型理论计算数目。基于这些实验结果，科学家不禁发问：太阳中微子到底去哪了？是理论计算的错误，还是实验测量错了？或者说两者都没错，只是太阳中微子在产生和探测之间发生了变化？

大气中微子反常

在孜孜以求地寻找“太阳中微子失踪之谜”答案的同时，柳暗花明、殊途同归的一幕出现了。大气中微子的研究为太阳中微子失踪问题的解决提供了意料之外的支持。

1960年代，描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论已经确立；1970年代，同时描述弱相互作用、强相互作用以及电磁相互作用的大统一模型的理论研究也有了关键进展。大统一理论预测质子可以发生衰变，所以科学家开始考虑测量质子衰变的可能性。这其中就包括小柴昌俊领导的神冈探测器以及莱因斯领导的美国IMB（Irvine—Michigan—Brookhaven）实验。但直到今天，包括后来的超级神冈探测器等所有的观测都没有找到质子衰变发生的证据。

高能宇宙线和大气中的原子核相互作用，可以产生大量高能π介子，π介子接下来经过两级衰变，可以产生电中微子和u中微子，科学家称之为“大气中微子”。1965年，位于印度和南非的两个废弃金矿中的闪烁体探测器首次测量到大气中微子的信号。到1980年代，为了得到质子衰变研究所需排除的背景信号，神冈和IMB的两个探测器也观测到大气中微子信号。出乎大家意料的是，这两个实验观测到大气中微子的事例数都小于理论计算数值，中微子消失的问题再一次出现了。但与此同时，另外几个大气中微子实验。包括意大利的NUSEX实验和法国的Frejus实验，都没有观测到大气中微子的消失现象。基于当时的这种状况，科学家把神冈和IMB的实验结果称为“大气中微子反常”。

黎明前的黑暗

1980年代到1990年代初，太阳中微子和大气中微子的研究百家争鸣。太阳中微子失踪之谜从1968年开始已经持续很长时间，虽然不同的实验都观测到太阳中微子的消失现象，但对于消失幅度的定量数据，几个实验并不相同；大气中微子的观测也没有给出中微子消失原因的一致结论。与此同时，粒子物理标准模型通过了所有实验的精确测量检验，在各个方面被证实可以非常准确地描述粒子世界。因此，许多保守的物理学家坚持标准模型的完备性，认为太阳中微子和大气中微子的消失现象应该来自太阳中微子和大气中微子的理论计算或者实验观测方面的错误，拒绝承认中微子失踪现象是源于中微子的振荡效应。为了澄清这些疑难，中微子物理的研究亟需可以提供决定性结果的实验。基于此，日本的超级神冈探测器和加拿大的SNO探测器应运而生。

中微子消失：决定性的实验

到1990年代末，太阳中微子失踪之谜已经持续很长时间，但是率先取得突破的反而是10年前发现的大气中微子反常现象。1998年，日本的超级神冈探测器率先给出了大气中微子振荡存在的决定性证据；四年后，加拿大的SNO探测器给出太阳中微子振荡存在的证据，一举解决困扰科学家34年之久的太阳中微子失踪之谜。

超级神冈探测器：开创中微子的黄金时代

也许是大自然的青睐，在小柴昌俊退休前的两个月，银河系卫星星系之一的大麦哲伦星云爆发了一颗超新星。得益于神冈中微子探测器不久前的升级，也得益于这颗超新星离地球足够近，神冈探测器记录了11个宝贵的超新星中微子事例。这不仅导致了小柴昌俊2002年的诺贝尔物理奖，也促进新一代的超级神冈探测器成功上马。

超级神冈探测器于1991年开始建造，1996年完成。它采用了神冈探测器同样的技术，比神冈探测器大20倍，共使用5万吨纯净水和13000个光电倍增管，在当时是当之无愧的旗舰实验装置。超级神冈探测器的两个主要负责人是小柴昌俊的学生户塚洋二（YoiiTotsuka）和棍田隆章，户塚洋二负责领导实验的建造和运行，而棍田隆章领导实验的数据分析。超级神冈探测器对大气中微子进行了高精度的测量，1998年6月棍田隆章代表合作组在日本高山举行的“国际中微子大会”上报告，实验以确凿的证据发现了大气中微子振荡。

超级神冈探测器分别测量了来自于探测器上方和下方的u中微子事例。由于地球大气层的球对称性，如果中微子在传播中没有发生变化，来自上下两个方向的中微子应该相同。但是，实验显示中微子事例存在很明显的上下不对称，来自下方的中微子明显变少了。这表明大气中微子在穿过整个地球时消失了，消失的比例和中微子能量以及穿过的距离有关，与中微子振荡模型的理论预测一致。后续的研究表明丢失的u中微子绝大部分都转换成了T中微子。1998年超级神冈探测器的结果不依赖于大气中微子的理论计算，并且在一定程度上也不依赖探测器的误差，以确凿的证据证明中微子振荡的存在。科学家最终相信自然界确实存在中微子振荡现象，1998年也被称为“中微子振荡元年”，标志着中微子研究黄金时代的到来。

因为超级神冈探测器发现大气中微子的振荡现象，棍田隆章获得2015年度诺贝尔物理学奖。而小柴昌俊的另一个学生户塚洋二在2008年因病逝世，错失获奖机会。

SNO探测器：扫清持续34年的阴霾

为了寻找太阳中微子失踪的答案，并最终验证太阳模型理论计算的正确性，太阳中微子实验需要进行独立于太阳模型的全新观测。首先找到问题解决方案的是华人物理学家陈华森（Herbert Hwa Chen）。受神冈探测器用纯水作为探测媒介的启发，陈华森于1984年提出使用重水探测太阳中微子的方案，并从开始阶段就作为发言人领导SNO探测器的设计。使用重水不仅能测量到达地球的电中微子数目，还可以同时测量所有类型中微子的总和，从而可以对是否存在中微子从电子型到其他类型的转换给出确定的结论。非常不幸的是陈华森于1987年因病逝世，错失继续领导并建造SNO探测器的机会。1987年后，加拿大人麦克唐纳开始领导SNO探测器项目。

SNO探测器从1990年开始动工建设，1999年5月建成并开始运行。该探测器位于加拿大萨德伯里地下2公里的一处废弃镍矿内，直径30米的地下探测器大厅内安放有直径12米的有机玻璃球型探测器，探测器内装有1000吨重水，并安装1万个光电倍增管作为光信号探测单元。

2001-2002年，SNO探测器首次观测到电中微子和所有类型中微子的数目，结果表明所有中微子的总和与太阳模型预测的一致。其中电中微子只相当于总量的35%，其他的65%为y中微子和T中微子。

由于太阳核聚变只能产生电中微子，因此SNO探测器结果表明。在中微子传播过程中，电中微子并没有真正失踪，而是转变为另外两种类型的中微子。至此，困扰科学家34年的“太阳中微子失踪之谜”最终解决了。由于SNO探测器能够直接比较电中微子和全部中微子，它首次在独立于太阳模型的条件下证明中微子振荡效应的存在。因为SNO探测器发现太阳中微子的振荡现象，麦克唐纳获得2015年度诺贝尔物理学奖。

中微子振荡：理论的解释

粒子物理的标准模型预测中微子是无质量的粒子，也不存在发生中微子类型转化的振荡效应。中微子振荡效应的存在表明中微子具有非零质量以及存在混合效应，进一步表明粒子物理的标准模型是不完备的，需要在某些方面进行扩充以满足中微子振荡效应。

1957年，受K介子振荡现象的启示，蓬捷科尔沃提出中微子与反中微子之间转化的可能性。1968年，在得知戴维斯的太阳中微子实验结果后，蓬捷科尔沃提出不同类型中微子之间发生转化的振荡理论。

中微子振荡是一种基本粒子问的宏观量子相干现象。发生相互作用的中微子态，即前面提到的不同类型的中微子，和传播过程的中微子态之间存在混合现象，而产生和探测过程中的中微子态是不同质量的中微子态的相干叠加。在传播过程中不同质量的中微子态具有不同的传播相位，由于中微子传播相位的差别，初态产生过程和末态探测过程的中微子态也就存在不同。从产生到探测过程，中微子发生了不同类型间的转换。

大气中微子的振荡现象可以用u中微子到T中微子的振荡来解释。太阳中微子振荡具有进一步的复杂性。由于太阳内部的物质密度很大，中微子和物质相互作用可以改变传播过程的中微子混合的大小，并且改变的程度与中微子能量相关。这就可以解释不同能量的太阳中微子发生不同的振荡行为，并且和前面提到的不同类型实验的太阳中微子消失幅度不同相一致。

反应堆实验后来居上

1998年超级神冈探测器发现大气中微子振荡现象，2002年SNO解决太阳中微子失踪之谜，中微子研究开启了黄金时代。一时间，很多实验都开始中微子振荡的测量，包括太阳中微子和大气中微子实验、反应堆中微子实验以及加速器中微子实验。其中，反应堆中微子实验对我们理解中微子振荡行为起到了关键作用。

日本的KamLAND（Kamioka Liquid ScintillatorAnti-Neutrino Detector）是为了验证太阳中微子振荡而设计的反应堆中微子实验装置。探测器位于原来神冈中微子探测器的旧址。2002年12月，KamLAND首次公布了一年实验的测量结果，发现中微子在传播过程中也发生了失踪现象，并且失踪中微子的比例与太阳中微子的振荡行为相符。此后KamLAND利用更多的数据，在2004年首次观测到不同能量中微子的振荡行为，并直接给出反应堆中微子的振荡曲线。

太阳中微子和大气中微子的振荡代表两种不同的中微子振荡模式，而理论预测中微子还存在第三种振荡模式，其振荡行为依赖于全新的中微子参数的大小直接决定中微子振荡中电荷宇称破坏的幅度，是利用中微子解释宇宙物质反物质不对称的必要条件。我国的大亚湾反应堆中微子实验在这方面做出了开创性贡献。大亚湾实验的远点探测器建造在距离反应堆2公里处，用来研究反应堆中微子的振荡行为。此外，大亚湾实验还在距离反应堆300-500米的地方放置了另外两组探测器，用以监测反应堆发出的原初中微子数目。2012年3月，利用远近点探测器之间的直接对比，实验首次给出第三种振荡模式存在的证据，并测量了中微子参数的大小，为后续中微子物理的研究打通了康庄大道。

结束语

从1998年开始，中微子振荡的研究蓬勃发展：展望未来，中微子领域还有若干未解之谜等待科学家去解决，最关键的问题包括测量中微子的质量顺序以及电荷宇称破坏相位等。

我国新一代的江门反应堆中微子实验就是为解决中微子质量顺序问题而建造的。在质量顺序测量方面，还有韩国的REN050、印度的INO、美国在南极建造的PINGU以及法国在地中海建造的ORCA等实验。另一方面。电荷宇称破坏相位的测量是未来加速器长基线中微子实验的首要目标，在这个领域有日本的超超级神冈探测器（Hyper-Kamiokande）和美国的LBNF/DUNE加速器中微子实验。可以预期未来20年中微子物理的研究将持续蓬勃发展。将会有更多中微子的秘密被揭开，期待我国对中微子感兴趣的年轻人踊跃加入这个令人心潮澎湃的科学领域。