追寻失踪的“幽灵粒子”

晓阳

宇宙中有一种来无影、去无踪的“幽灵粒子”，它们是中微子。然而，科学家却能通过巧妙的方法发现它们的踪迹，就算它们“玩失踪”，科学家也能知道它们改头换面成什么样子了。瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予了日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳，他们的贡献就是找到了“失踪”的中微子，并以此证实中微子有质量。

“幽灵粒子”无处不在

获得2015年诺贝尔物理学奖的科学家研究的是中微子。那有没有大微子和小微子？没有。其实中微子的“中”不是指大小，指的是电中性，即这种粒子是不带电的，而“微”是说它很小，所以叫中微子。中微子是宇宙中最基本的粒子之一。它有一个神奇的特性，那就是可以穿透任何物质。当你在阅读这段文字的时候，已经有数以亿计的中微子穿过了你的身体，而你并不会因此产生“万箭穿心”的感觉。

我们生活在一个中微子充斥其间的世界。中微子是宇宙中数量第二多的粒子，仅次于光子。然而，由于它们具有很强的穿透性，且很难和普通物质发生相互作用，所以探测起来非常困难，一度被科学家称为“捉不住的‘幽灵粒子”。直到1956年，才有两位物理学家成功探测到了中微子的存在，宣告了这一“幽灵粒子”的真实存在，该成果在1995年被授予诺贝尔物理学奖。

解开中微子“失踪”之谜

1968年，美国物理学家戴维斯观测到来自太阳的中微子。然而，他测量到的中微子数仅有理论预测的三分之一。这被称为“太阳中微子失踪之谜”。在确认实验和理论计算都无误之后，科学家推测，来自太阳的中微子发生了振荡现象，即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：缪子中微子和陶子中微子。

这种推测被麦克唐纳用实验验证了。麦克唐纳验证中微子振荡采用的是重水中微子探测器。这种探测器的主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1 000吨重水，容器壁用丙烯酸树脂制成，容器的周围安装了9 600个光电倍增管，用于探测中微子遇到重水辐射的光子。2001年，麦克唐纳利用重水探测器发现了中微子振荡的证据。

来自太空的高能宇宙射线，在地球大气层中也会产生大量中微子。1988年，梶田隆章在分析数据时发现，测到的中微子比预期少，这被称为“大气中微子反常”。2008年，梶田隆章用超级神冈探测器验证了大气中微子也会发生振荡现象。这个探测器的主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，里面装满水，容器的内壁上安装有11 200个光电倍增管。

那么，中微子振荡为什么又和中微子有质量相关呢？曾经的理论预测认为，中微子是没有质量的，那么按照这个理论，中微子就不可能产生振荡现象。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。

发现中微子振荡有啥用

麦克唐纳和梶田隆章的研究究竟有啥用？梶田隆章表示，他所从事的这项研究，不是那种马上就会有什么用处的研究。两人的研究成果属于满足人们好奇心的研究，能为解释宇宙起源和演化之谜提供一定的线索。历史上很多意义重大的科学发明都起源于人们的好奇心，每个科学发现或许起初缺乏实际用途，但从长远来看，都会对现实生活产生重大影响。

有关中微子的研究还有利于揭示太阳能量之谜。科学家认为，太阳的能量来自核心区的核聚变，核心区产生的热能要经过10万年，才能传递到太阳表面，变成我们能感知的光和热。要验证这个理论机制，似乎是一件无法完成的任务，因为人类的探测器连地心都不可能抵达，更不用说太阳核心了。然而，中微子可以轻松地从太阳核心穿过，通过探测来自太阳的中微子，就可以想办法揭示太阳核聚变之谜。