探测中微子

苗千

近年来，中微子却越来越吸引起物理学家们的兴趣。人们意识到，这种似乎不起眼的粒子可能帮助人们解开一些最重要的谜团。此时人们才发现，其实人们对于这种基本粒子，仍然知之甚少。

中微子并不稀少，这种粒子在宇宙中的数量仅次于光子，在地球表面每平方厘米的面积上，每秒钟都有超过1000亿个中微子以几乎光速的速度穿过而从不会被人感知到。因为它这种极为懒惰、极少与其他粒子发生相互作用的性质，想要对它进行探测，了解它的性质就成为十分困难的事。

中微子的质量虽然极其微小，但是它可能拥有极高的能量。在2013年，位于南极的IceCube中微子实验项目宣布他们发现了两个具有超高能量的中微子，他们根据电视剧《芝麻街》的角色给这两个中微子命名为“Bert”和“Ernie”。在2015年8月4日，IceCube的科学家们宣布又发现了一个具有更高能量的中微子，这个中微子因为其独特的性质，相比于其他同样来自外星系的宇宙射线中的带电粒子，可能带给人们更多的关于宇宙深处的信息。

人类意识到宇宙射线的存在已经有超过一个世纪的时间，这些带电粒子从宇宙各处以不同的能量和速度到达地球。其中很多粒子在到达大气层时具有地球上任何粒子对撞机中都无法达到的超高能量。至今为止，这些宇宙粒子大多从何而来，又是如何获得如此的超高能量仍然是一个谜。目前宇宙学家们估计，这些宇宙粒子可能大多来自银河系之外，而它们的超高能量可能来自以黑洞为中心的旋转星系。

在宇宙空间的行进中，这些具有超高能量的带电粒子的运行路线会受到宇宙中电场和磁场的影响，随时可能发生偏转，因此，很难通过捕捉到这些粒子来准确判断它们的来源。这时，具有超高能量中微子的意义就显得格外重要了，因为它们并不带电，很少和其他粒子发生相互作用，它们的质量又极低，因此受到的引力作用都极小。即使它们穿过了整个星系，行进路线都可能只是受到极小的影响。宇宙学家们猜想，最新探测到的这个具有超高能量的中微子与其他具有超高能量的宇宙射线可能具有相同的来源，因此，追踪这个中微子的来源，就可以找到这些宇宙射线的源头。

中微子又分为电子中微子、muon中微子和tau中微子三种。在IceCube中微子实验项目中，他们利用大量的冰块作为中微子探测器。如果是电子中微子和tau中微子与冰块中的粒子发生相互作用，就会发出闪光，但无法以此来判断中微子的来源，而刚刚被发现的这个超高能量的中微子属于muon中微子，它在与其他粒子发生相互作用时会释放出一个tau中微子，从而留下了一条清晰的运行轨迹，这就可以让宇宙学家们按图索骥，追踪到这个tau中微子的来源。

在地球上，人们同样进行着大量的中微子实验，这些实验有关中微子最基本的性质。物理学家们一直怀疑中微子可能发生振荡现象（neutrino oscillation），此前很多中微子实验都发现过探测到的中微子比预期的要少，这可能是因为中微子在运行过程中发生振荡成为其他类型的中微子而无法被探测到。2013年，在日本进行的T2K实验第一次直接探测到了中微子振荡现象，在探测一束发射出的muon中微子时，科学家们探测到了电子中微子，这成为中微子发生振荡的最直接证据。

意大利格兰·萨索国家实验室的OPERA探测器

最近，在意大利的格兰·萨索（Gran Sasso）国家实验室进行的OPERA中微子地下实验中，实验人员首次证实了muon中微子可以振荡转变为tau中微子。在2008到2012年，从日内瓦附近的欧洲核子中心（CERN）向西南方向发射出muon中微子束，这些中微子在地球的地壳中运行了730公里之后，其中一部分被位于意大利地下的OPERA实验的铅探测器探测到。科学家们发现，其中的一些muon中微子转变为tau中微子，而且它们在与其他粒子发生对撞之后产生了轻子（tau lepton）。这些轻子在一万亿分之一秒之内就会发生衰变，即使它们是以光速运行，也只行进了几毫米而已，因此非常难以探测它们存在的证据。

OPERA实验的科学家们在2014年发现了4个tau轻子存在的证据，但这还不足以说明是一个实验发现。在2015年，科学家们又发现了一个tau轻子存在的证据，终于可以宣布实验成功，正式宣布发现了muon中微子振荡成为tau中微子的现象。

从此前被认为没有质量到拥有质量，可以在三种类型之间发生振荡，这些性质都是物理学家们此前没有预料到的。中微子可以说是宇宙中最奇特、最神秘的粒子，而人们此时仍然对它的基本性质还没什么了解。如果说探索中微子时代已经到来，那么这个时代有可能将会持续很长一段时间。

目前在中国、印度、美国和日本，都正在进行或是建设着中微子实验项目，准备进一步研究中微子的性质，人们都希望能够探测到更多的中微子，并且深入研究中微子振荡的机制。关于中微子，还有些更基本的问题需要研究，这关系到物理学研究中一些最重要的问题。在中微子与反中微子之间的振荡相互转换，是否对称？这个问题可能是解开宇宙中为何物质多于反物质之谜的钥匙。另外，是否存在“sterile”中微子？在一些物理学理论中预测可能存在第四种，Sterile中微子，这种中微子比其他三种中微子更难以和物质发生反应，因此也就更难以探测。这种仅存在于理论中的粒子是否真的存在？这将是解开暗物质之谜的关键之所在。另外，在已知的三种中微子中，它们的质量关系如何？因为中微子质量太过微小，物理学家们至今都无法探测到中微子的确切质量。如果能够精确探测出这三种中微子的质量，理清它们之间的关系，物理学家们就会有更多的线索在未来发展出一个可以统一四种相互作用的理论。

（本文写作参考了《科学》杂志的报道）