中微子：“幽灵粒子”揭开神秘面纱

2024年11月，我国重大科技基础设施——江门中微子实验中心探测器建设进入收官阶段。这个位于广东江门的大科学装置深藏在地下700米，建成后将主要用于研究宇宙中的中微子。

中微子是构成世界的基本粒子，也是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子之一。从中微子发现至今，已经有8位科学家因为中微子研究获得了诺贝尔物理学奖。中微子为什么这么重要？中微子是如何被发现的？关于中微子的研究又会给人类社会带来哪些进步与发展？

一个大胆的假设

想要了解中微子，首先要从能量守恒定律说起。作为物理学中的普遍性定律，能量守恒定律在科学探索中发挥着重要作用。20世纪初，有些科学家在研究原子核β衰变时，遇到了一个难以理解的事实：原子核在衰变时释放的能量与电子带走的能量不一致，电子带走的能量比原子核释放的能量少得多。

显然，这一现象违背了能量守恒定律。物理学家们随后展开了一场激烈的争论。有些物理学权威专家，对原子核β衰变中的能量是否守恒提出了疑问。例如著名的丹麦物理学家玻尔认为，能量守恒定律只取原子核多次衰变过程的平均值才有效，并非在每一次衰变中都成立。

玻尔提出的这种能量不守恒的想法，遭到了奥地利年轻物理学家泡利的反对。1930年年底，泡利提出了一种大胆的假设：能量守恒定律依然有效，但在原子核β衰变过程中，除了向外释放电子，还释放出了一种难以探测到的中性粒子，这种中性粒子也带走了原子核释放的能量。这种粒子，就是后来大家所说的中微子。

泡利不仅提出了中微子假说，还积极呼吁物理学家去搜索它。1930年12月，他给在德国参加放射性研究会议的与会者们致信，呼吁大家对中微子假说进行“检验和裁决”。

不久后，意大利物理学家费米运用泡利的观点，将中微子纳入原子核β衰变的理论研究并进行确切的阐述，成功解释了原子核β衰变，并提出了一种新的自然力——弱相互作用理论。

随着研究的不断深入，中微子的神秘面纱被慢慢揭开：中微子不带电、质量非常小、运动速度堪比光速、数量极为庞大、遍布整个宇宙空间……同时，多次实验反馈结果表明，中微子家族类型多样，各种类型的中微子之间还可以相互转化，目前已经探测到的有电子型中微子、μ子型中微子和τ子型中微子等。

捕获难度大的“信息存储器”

实际上，中微子遍布全宇宙，大多数粒子的物理和核物理过程都会伴随着中微子的产生，例如核反应堆核裂变、太阳核聚变、超新星爆炸、宇宙射线等。不过，想要证实中微子的存在却不是一件容易的事。由于很难与其他物质发生反应，中微子难以被直接捕获，科学家们只能通过捕捉中微子经过后留下的痕迹来证实它的存在。这种方法就好比我们看不见风，却可以通过树叶的抖动证明风的存在。

第一个“捕捉”到中微子的是美国物理学家莱因斯和科万。一次实验中，他们设置了一个简易的中微子探测器：这是一个装有有机液体的大桶，桶内壁安装了一种可以转换微弱光信号的电子器件。科学家们通过观测中微子束流穿过有机液体后出现的光信号，来证明中微子的存在。

1956年，经过大量实验，他们在探测器中发现了比较明显的光信号，证实了此前的猜想。另一名物理学家戴维斯将目标对准了太阳中微子。太阳的核心不断发生核聚变反应，这使得它成为一个巨大的中微子发射源。

20世纪60年代，美国南达科他州霍姆斯塔克金矿，戴维斯将实验地点选在了信号不容易受到干扰的地下1600米深处。经过多次实验，他在探测器中顺利捕获到了太阳中微子。

在发现初期，中微子的研究发展较为缓慢。直到1998年日本超级神冈中微子实验探测器发现中微子振荡后，中微子研究迎来了发展的黄金时代。

同一时刻，相关的投资也进入爆发式发展阶段，美国、日本、欧洲等国家和地区先后修建中微子探测装置。2014年，美国能源部将中微子物理列为驱动科学发展的“五驾马车”之一。据公开消息，我国早在2011年，建成了大亚湾核反应堆中微子探测器，并投入运行；2015年，我国新一代中微子实验项目江门中微子实验基地开始施工建设。

值得关注的是，中微子还有一个非常特别的性质——可以穿透一切事物，具有极强的穿透力。这个特性也引起了网民的广泛讨论，有网友用“我在你身边而你却无从察觉”来形容中微子的神秘。

想象一下，此时此刻正在读报的你，每秒钟有数以亿计的中微子穿过你的身体，但你却完全没有察觉。即便是直径约为12700多公里的地球，中微子也可以毫无阻挡地穿过，不会受到海水和地层的阻挡，也无法被干扰和拦截。

中微子的发现，为科学家破解宇宙奥秘提供了新的切入点。科学家认为，宇宙中充斥的大量中微子，大部分为宇宙大爆炸时期的残留。作为宇宙形成之初就存在的最古老、最原始的基本粒子之一，中微子见证了宇宙的诞生，携带着宇宙演化的秘密。通过观测了解中微子，科研人员可以研究恒星的生命历程、揭示暗物质和暗能量的神秘面纱，提升人类对宇宙的认知。

目前，世界上关于中微子的研究装置主要有日本超级神冈中微子实验探测器、美国深部地下中微子实验探测器，以及我国江门中微子实验中心探测器。

中微子就像弥散在宇宙中的信使，使得人与人、人与自然、人与万物之间存在着微妙的感应，存在着跨越时空的记忆和全息的信息存储，未来还将一直携带着源头信息“勇往直前”。

应用前景广阔

中微子研究为理解物理学基本问题提供了一把“钥匙”。科学家们对破解中微子之谜的迫切，促使中微子研究始终保持着热度，除了用于探索宇宙奥秘，中微子还具有多种可期的应用前景。

首先，中微子是探测地球内部的重要工具。通过研究地球内部放射性元素衰变产生的中微子，科学家可以更准确地认识地球内部的演化规律。比如研究一束穿透海洋地壳的中微子，科研人员就能知道海洋地壳的内部发生过什么。这可以帮助科研人员弄清楚地球内部的变化如何影响陆地板块，冰川消融后是否会导致板块失衡，海水倒灌究竟是什么原因，等等。

其次，中微子可用于通信技术的革新。基于与物质相互作用极小、穿透性极强的特点，中微子未来可以充当一个优越的信息载体，实现无障碍超远距离传输，用于通信技术的革新。

以往，通信常使用电磁波作为通信的载体，但电磁波一旦进入水下后就会被大幅度衰减，这时人们就只能依靠声波来进行通信。

与之不同，中微子能够轻松自如地穿透大气、海水甚至是地壳，实现超长距离快速通信。除了在介质中畅行无阻的优点外，其超大的容量、超高的传速、稳定的保密性也是其他通信手段难以企及的。以核潜艇为例。核潜艇原本可以数月潜航于深海中，但为了与地面通信，需要连接一根有线天线到接近海面处，这制约了核潜艇的航行深度和速度，增加了被发现的风险。而如果以中微子作为信息载体的通信方式，利用中微子绝佳的穿透力，接收和发送信息将不再受地球曲面和海水阻碍的困扰。同时，由于中微子通信具有隐身性，对手根本无法搜索到信源位置，更无法利用反辐射导弹对中微子通信设备进行打击和干扰。进入21世纪以来，美国已开始尝试使用中微子进行深海潜艇与地面通信的设计与研究工作。

再次，中微子可用于研制中微子雷达等。由于中微子可以轻易穿透各种障碍物，科研人员提出利用中微子信号发展中微子雷达的设想，以实现对深海潜艇和地下掩体的探测定位，弥补电磁波雷达和声呐在这些场景中的缺陷。

目前，国外有科学家正在研究通过探测中微子信号的强度来甄别核燃料的浓缩级别。如果是武器级核燃料，其发出的中微子信号会更加强烈，因此这一方法对发现大规模杀伤性武器非常有帮助，甚至可用于销毁敌人的核武库。其背后的基本原理是，将高能加速器产生的高能中微子束定向照射核材料，可以点燃和销毁核武器库。

不过，由于高风险性和不确定性，以上这些研究仍有漫长的道路要走。比如中微子通信，目前面临的难题是：中微子与物质的相互作用非常弱，在中微子束流中编码信息存在难度。

回首过去，从泡利1930年提出“中微子假说”到现在，已经过去了近100年的时间。幸运的是，在这近100年的时间里，我们取得了可观的研究成果，进一步揭示了宇宙的奥妙、推动了粒子物理学的发展，为未来通信技术的发展提供了变革性的思路。相信伴随着中微子研究的不断深入，我们终将揭示更多关于宇宙的奥秘，为人类未来开辟更多崭新的可能性。科

（文章转载自《解放军报》2024-11-29 第11版）