記者探營大亞灣:“鬼粒子”第三種振蕩現身記

大亞灣反應堆中微子實驗試圖破解宇宙中“反物質消失之謎”。圖為兩個直徑5米、高5米的中微子探測器。

　　中微子振蕩

　　假設在2010年南非世界杯比賽中，運動員將當年世界杯專用球“普天同慶”射入球門，隨后卻發現這個球變成2006年德國世界杯專用球“團隊之星”，因此進球被判無效。這種現實生活中無法實現的笑談，卻在中微子的“生存環境”中時時刻刻地真實上演。

　　美國科幻災難電影《2012》描述了地球末日降臨的景象：地震、火山爆發和超級海嘯一起發作，將都市像玩具一樣攪成碎片，而人類則像螞蟻一般被毀滅。在電影編劇的構想下，“引發這一切的罪魁禍首是太陽突然開始釋放出大量的中微子，地核被熔化，導致災難迭發。”

　　電影中描繪災難的逼真場景，令人們驚恐萬分，導致美國宇航局（NASA）不得不出面辟謠：科學家們認為這種可能性等于零。

　　的確，中微子雖然無處不在，甚至每時每刻都有成千上萬的中微子穿過人類的身體，卻如此神秘，誰也不能看見或感覺到它們的存在。

　　3月8日，大亞灣中微子實驗國際合作組發言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳在北京宣布，合作組發現了一種新的中微子振蕩――即第三種振蕩模式。這一發現轟動全球科學界。

　　距發布會3個月后，南方日報記者隨著王貽芳所長，穿過3公里的山底隧道，探營這個由中美等多個國家和地區投資約2億多元，集結200多位科學家聯合進行的國際實驗項目。

　　這里深藏著建立了3個地下實驗廳，放置在巨大的水池中的6個中微子探測器，各110噸重，并被層層罐子套著。科學家形象地形容：“就像俄羅斯套娃一樣，不過每一層之間都有液體隔著，以減少雜質干擾。”

　　實驗項目副經理曹俊研究員告訴南方日報記者，成果公布3個月以來，實驗又有新進展，實驗研究人員將所測中微子振蕩數據的精度提高了2.5倍。“新的發現幫助中微子研究者邁過了一道門檻，向破解反物質之謎靠近。”曹俊說。

　　捕捉“幽靈”

　　中微子的發現過程非常曲折，全球眾多物理學家致力于讓這種神秘的“幽靈”現身，足足用了26年

　　中微子到底是什么東西，認識它有多重要？這從中微子研究與諾貝爾獎的歸屬中可見一斑。

　　1956年，美國的弗雷德里克?萊因斯在實驗中觀測到中微子，因此獲1995年諾貝爾獎。

　　1962年，美國的萊德曼，舒瓦茨，斯坦伯格發現第二種中微子――繆中微子，獲1988年諾貝爾獎。

　　1968年，美國的戴維斯發現“太陽中微子失蹤之謎”，獲2002年諾貝爾獎。

　　1987年，日本超級神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子，超級神崗實驗項目主持人小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

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一位美國科研人員在廣東大亞灣反應堆中微子實驗站裝配大廳內查驗數據。

　　中微子研究者似乎是離諾貝爾獎最近的科學家群體之一。但追溯中微子的發現過程卻非常曲折，從預測這種神秘粒子存在到發現它足足用了26年。

　　“宇宙起源于137億年前的一次大爆炸，在第一秒鐘就產生了無窮多的中微子，它們一直存留到現在。地球上指甲蓋大小的地方，每秒鐘就會落下10萬億個宇宙大爆炸殘留的中微子。”曹俊說。

　　早在1930年，奧地利物理學家泡利為了解釋貝塔衰變中能量不守恒現象，提出可能存在一種看不見摸不著的粒子，“偷走了”能量。這種粒子不帶電，沒有質量，幾乎不與物質發生相互作用，因此捕捉不到它。

　　但由于誰也沒有見到中微子，泡利的假說始終蒙著一層迷霧，就連他自己都說：“天啊!我預言了一種永遠找不到的粒子。”中微子也因此曾被稱作“鬼粒子”、“幽靈粒子”。

　　此后，全球眾多物理學家致力于讓這種神秘的“幽靈”現身。

　　我國著名物理學家王淦昌便是其中之一。在泡利提出中微子假說時，王淦昌正在德國柏林大學讀研究生。1941年，在一篇題為《關于探測中微子的一個建議》的文章中，王淦昌提出以“K電子俘獲”的方法驗證中微子的存在。

　　1942年6月，美國物理學家艾倫根據王淦昌提出的方案進行實驗，果然證實了中微子的存在，成為轟動全球物理學界的大事件。

　　中微子的存在被證實后，科學家下一步的工作就是測量中微子與質子相互作用引起的反應，進而直接探測中微子的活動規律。“由于中微子與物質相互作用極弱，這種實驗是非常困難的。”曹俊說。

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　　直到1956年，這項試驗才由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。最終，在泡利提出中微子假說以后的26年，人們第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人認為中微子永遠觀測不到的悲觀觀點。

　　如今，中微子的“出身”、“家庭成員”和“性格”已經基本清楚。

　　中微子是構成物質世界最基本的粒子之一，也可以說是構造世上萬物的基本磚塊之一，其在宇宙中的數量驚人，平均每立方厘米就有上百億個。它們在12種粒子中占了三種，即電子中微子、繆中微子和陶中微子。

　　飛行“變臉”

　　一種中微子能夠在飛行中變成另一種中微子，然后再變回來，太陽和大氣中微子因此“丟失”

　　隨著中微子研究的深入，有兩個特殊現象引起科學家們越來越多的關注，即“太陽中微子失蹤之謎”和“大氣中微子反常。”

　　“所謂太陽中微子失蹤，是指實驗觀測到的太陽中微子數量遠少于預期。”曹俊說，50多年前，美國科學家雷蒙德·戴維斯在地下1500米的一個廢舊金礦，尋找來自太陽的中微子。“之所以去這么深的地底下，是為了屏蔽地面上宇宙線對實驗的干擾。”曹俊解釋。

　　戴維斯發現了一個奇怪的現象：太陽中微子的數量只有預期的1/3。其它的中微子到哪里去了?這個問題困擾科學家數十年，被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。

　　有關中微子的另一個謎團，是從上世紀80年代起，科學家發現大氣中微子似乎也比預期中要少，“在宇宙中，有很多能量非常高的宇宙射線，它們進入 地球的大氣層后，會打出中微子，稱為大氣中微子。然而科學家發現它們的數量也低于預期，這因此稱為‘大氣中微子反常’。”曹俊說。

　　全球粒子物理學家為揭開這兩個謎團進行了不懈努力。終于在1998年，日本的超級神崗實驗以確鑿的證據，證明中微子存在振蕩現象。

　　所謂中微子振蕩，是指一種中微子能夠在飛行中變成另一種中微子，然后再變回來。太陽中微子和大氣中微子的“丟失”，都是因為它們變成了其它種類的中微子。

　　科普網站“科學松鼠會”如此比喻中微子“振蕩”：假設在2010年南非世界杯比賽中，運動員將當年世界杯專用球“普天同慶”射入球門，隨后卻發 現這個球變成2006年德國世界杯專用球“團隊之星”，因此進球被判無效。這種現實生活中無法實現的笑談，卻在中微子的“生存環境”中時時刻刻地上演。

　　堅持不懈的戴維斯用了30年的時間，終于發現了太陽中微子振蕩，解開其“失蹤”之謎。

　　根據中微子振蕩理論，大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩分別對應著兩個中微子混合角23和12。但科學家研究發現，理論上還存在第三種振蕩模式，即反應堆中微子振蕩，對應中微子混合角13。

　　“這個振蕩小得多，一直沒有找到，但是它關系到中微子物理的未來發展，也跟認識的宇宙起源相關，比如推測到宇宙大爆炸的時間。”曹俊說。

　　第三種振蕩引起了科學界的極大關注，多國為此開展實驗。

　　大亞灣“突破”

　　反物質消失很可能與中微子振蕩有關，同時這也為解開宇宙大爆炸之謎打開了一扇門

　　尋找第三種振蕩成為中微子研究熱點。曾在全球引起軒然大波的“中微子超光速”烏龍事件，當事方是意大利國家實驗室下屬奧佩拉實驗小組，其初衷同樣是為了尋找第三種振蕩。該小組于今年5月宣布撤銷超光速結論，承認是實驗誤差所致。

　　2003年前后，國際上有7個國家提出了8個有關中微子震蕩的實驗方案，最終進入建設階段的共有3個：中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。其中，大亞灣實驗方案吸引了最多的關注。

　　“大亞灣有著獨特的優勢，其地形特點特別便利于這項科學研究。”中科院高能所的劉麗冰研究員是該項目建設辦主任。

　　劉麗冰介紹，因為核反應堆附近的中微子特別多，大亞灣緊鄰世界上最大核反應堆群之一的大亞灣核電站與嶺澳核電站。同時，這里相鄰的排牙山形成天然的宇宙線屏蔽，可排除雜散的中微子干擾，這是外國其它實驗組及建設方案中最為欠缺的。

　　中國方案一亮相，就震驚全球。美國為此放棄其打算在本土建設的兩個方案。2007年，中國(包括香港和臺灣)、美國、俄羅斯、捷克等6個國家和地區合作，由200多位研究人員組成了大亞灣中微子實驗項目國際合作組。

　　3個實驗廳從去年8月到今年2月先后投入運行，緊鄰的核反應堆產生海量的中微子。近點實驗廳的探測器將會測量這些中微子的初始通量，而遠點實驗廳的探測器則負責尋找其通量減少。來自各國的研究人員分享和分析這些實驗數據。

　　國際協作研究人員只用了55天的數據，就發現遠廳的中微子數丟失了6%，結果表明這第三種振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%。從而，他們搶在競爭對手之前發現了中微子第三種振蕩模式。

　　美國《科學》雜志在線版“科學此刻”欄目發表文章《中國物理學家揭露中微子測量的關鍵》，評價：“此次成果完成了一幅中微子的概念圖”，其將可以解釋為何現在的宇宙中有如此多的物質，卻只有那么一丁點兒的反物質的問題。

　　諾貝爾獎獲得者李政道、卡羅·魯比亞，以及世界許多大實驗室向中國高能物理研究所發來賀信。美國科學家Robert McKoewn稱之為“中國有史以來最重要的物理學成果”，認為“中國粒子物理的時代已經到來”。

　　曹俊表示，這一發現為破解“反物質消失之謎”開辟蹊徑，就像中微子飛行中會“變臉”，反物質消失很可能與中微子振蕩有關，同時這也為解開宇宙大爆炸之謎，打開了一扇門。