中微子研究，向着未来奔跑

何晶　陈珂

大亚湾中微子实验大厅

历史总是在某些时间的交汇点上做一些标注，让它更为显眼一点。而2015年对于中微子研究来说，的确值得强调一下。

2015年10月，当年的“诺贝尔物理学奖”授予了56岁的日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳。梶田的获奖理由，是发现基本粒子中微子存在质量。这已经是日本凭借中微子研究获得诺贝尔奖的第二位科学家了。而在全世界范围内，与中微子直接相关的科学研究更是获得了4次诺贝尔物理学奖。

2015年的12月，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳当选为中国科学院院士。也就在这一年，江门中微子实验开始建设，并将于2021年左右完成，计划运行20至30年。

“隐身人”中微子

我们首先都会问的一个问题就是——中微子到底是什么？

中微子，是构成物质世界的最基本的粒子之一。在构成物质世界的12个最基本的粒子当中，中微子占了其中的3个。我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸时，在第一秒钟内产生了无数的中微子，它们携带了比光更早期的宇宙信息。在整个宇宙中，中微子的数量仅次于光子，是宇宙中数量最多的粒子之一。它不带电，质量非常轻，以接近光速运动，与其他基本粒子之间的相互作用十分微弱，被戏称为宇宙中的“隐身人”。

中国科学院高能所研究员曹俊在题为《中微子研究的历史与未来》的论文里写道：我们身边的中微子其实非常多，例如一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子，每秒钟有 3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体，宇宙大爆炸的残余中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米。大多数核过程都会产生中微子，例如宇宙线轰击大气、岩石的天然放射性、超新星爆炸等等，连每个人都会因体内的钾40衰变而每天产生4亿个中微子。

其实人类对于中微子的研究也不过才几十年。

上世纪30年代，奥地利著名科学家沃尔夫冈·泡利提出存在中微子的假说，他还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。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。他还以一箱香槟酒作为赌注，担保没有人能观测到中微子。

但到1956年，人类真正在实验中发现了中微子——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。弗雷德里克·莱因斯因此在1995年获得了诺贝尔奖。

到了1962年，人类又发现了第二种中微子。随后，中微子研究不断发展成为粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科。

对于经常被問及中微子研究有什么用，王贻芳对《中国报道》记者说：“我相信对我们而言，周围的世界令人着迷，我们想知道它是由什么构成的，也想知道这个世界究竟是什么样。它会对生活有所帮助，也蕴含着哲学趣味。”

美国费米实验室的科学家在2012年曾利用一个实验装置，成功地用中微子实现了通信。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，这种通信不会受海水和地层的阻挡，也无法干扰、拦截和破解。也许有一天，它能真正变成实用的通信方式。还有人提出，可以用中微子来给地球做CT，或者探测石油……100多年前，原子核的衰变被发现时，也无人知晓这将意味着什么，今天核能的利用已经深刻地改变了世界。而中微子如今还只是存在于科学家的研究里，但随着研究的不断深入、更多谜团被揭晓，中微子也许将深刻地影响未来。

从大亚湾起步

我国的中微子实验研究起步很晚， 但取得了举世瞩目的成绩。

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，日本的超级神冈实验以确凿的证据证明庞蒂科夫理论的正确性，它以确凿的证据发现了大气中微子的振荡。

中微子共有3种类型，它的脾性非常奇怪，“一种中微子在飞行中能自发变成其他种类的中微子。”这也就是专家们所说的“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。而中微子的3种振荡模式，此前人类已经发现了两种（即太阳和大气中微子振荡现象），第三种振荡模式一直没有被发现。

而寻找第三种振荡模式也正成为中微子研究的新热点。

2001年，王贻芳接到中国科学院高能所的邀请回国了。在此前一年，他得知国家科教领导小组在2000年审议并原则通过了中国科学院提交的《我国高能物理和先进加速器发展目标》，确定了中国高能物理和先进加速器的发展战略。这意味着，中国的高能物理研究开始进入一个新的发展阶段。曹俊2003年从美国费米实验室回国，实际上，高能所的中微子项目从他以后主要以培养国内人才为主。曹俊接受媒体采访时说，“因为我们自己培养的学生也成才了，也很优秀”。

据王贻芳回忆，2003年，国际上开始热烈讨论利用反应堆中微子来测量中微子第三种振荡模式的混合角，而且国际上已经有好几个团队打算进行同类实验。“我当时的第一反应是中微子研究将是一场竞争激烈的赛跑，最终看谁跑得快，精度高。”这就要求必须对实验、布局、检测器、技术等进行创新设计，实际上这也是实验中最具挑战性的部分。“我们想方设法地提出了一套真正的、创新的设计，并对这种振荡的探索进行了世上最精确的实验。”