宇宙中神秘的过客——中微子

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我国古代有一个美丽的传说，宇宙原来是混沌一片，后来盘古开天辟地，世界才成形。当然，这只是神话，不是科学。根据现代科学的认识，我们生活在其中的这一个宇宙是在大约150亿年前的一次宇宙大爆炸中诞生的，大爆炸以前和大爆炸最初10的负43次方秒以内，宇宙是什么样子？目前的科学还无可奉告。只知道大爆炸后10的负43次方秒时，宇宙的密度高达每立方厘米10的49次方克，温度是10的32次方摄氏度。当时世界上的物质是我们还不清楚的粒子。瞬间以后，出现了大批我们今天所认识的“粒子”，其中有一类叫做“中微子”。它们不带电，质量极小，与其它粒子的相互作用极弱，长期在太空遨游。还有另外一些粒子，由于它们的相互作用较强，随着宇宙温度的变冷而逐渐凝结成原子、分子，凝聚成星球。大约50亿年前，太阳和太阳系形成了，其中也包括地球。

　　在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径有很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。由于中微子与物质的相互作用极弱，难以捉摸，以致人们至今对它的认识还很肤浅，就连它有无质量也还没有搞清楚。

　　虽然单个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中它的数量极其巨大，平均每立方厘米有300个，密度与光子相仿，比其它所有粒子都要多出数十亿倍，它有无质量关系到人类所在的宇宙将如何演变。科学家目前认同的有两种设想：一种情况是宇宙将象现在这样永远膨胀下去，另一种情况是它膨胀到一定程度后在自身引力作用发生收缩，哪一种情况会发生取决于宇宙的总质量。如果总质量小于某个临界值，宇宙自身的引力就不足够大，前者将会发生；反之后者将会发生。如果中微子具有静止质量，其总质量会非常惊人，影响到宇宙总质量与临界质量的对比关系，即决定宇宙是膨胀还是收缩。

　　而且，从星球内部发出的光很难穿出庞大的星球，我们观察到的星光、太阳光只是星球和太阳表面发出的光，只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。

中微子的发现

　　要追溯中微子发现的经过，还要从19世纪末20世纪初对放射性的研究谈起。当时，科学家们发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的。不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的阿尔法射线和伽马射线也是不连续的。这是由于原子核在不同能级间跃迁时释放的，是符合量子世界的规律的。奇怪的是，物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了。

　　1930年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值，能量守恒仍然成立，只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”，最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。1932年真正的中子被发现后，意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。

　　1933年，意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律，β能谱连续之谜终于解开了。

　　泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年，王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功，直到1952年，艾伦与罗德巴克合作，才第一次用成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证证明中微子不是几个而是一个。

　　在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与质量相互作用引起的反应，直接探测中微子。由于中子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。直到1956年，这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变。裂变碎片大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小，要求用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。

　　在泡利提出中微子假说以后，经过26年，人们才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。

对中微子的研究

　　为了研究中微子的性质，各国建造了大量探测设施，比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、意大利的“宏观”、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。

　　1994年，美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰原作为探测器的安置场所，是因为冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。

　　宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的，在宇宙大爆炸产生，现在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中，在引力坍缩过程中，由质子和电子合并成中子过程中产生出来的，SN1987A中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上，通过轻核反应产生的十几MeV以下的中微子，目前还无法搞清楚的太阳中微子就是其中之一。第四种是高能宇宙线粒子射到大气层，与其中的原子核发生核反应，产生π、K介子，这些介子再衰变成中微子，这种中微子叫“大气层中微子”。五是宇宙线高能持子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生π介子，这个过程叫“光致π”， π介子衰变产生高能中微子，这种中微子能量极高。第六种是宇宙线高能质子打在星体云或星际介质的原子核上产生核反应生成的介子衰变为中微子，特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物β衰变产生的中微子，这类中微子是很少的。

　　泡利提出中微子假说时，还不知道中微子有没有质量，只知道即使有质量也是很小的，因为电子的最大能量与衰变时放出的总能量很接近，此时中微子带走的能量就是它的静止能量，只能是很小的。1998年6月，日本科学家宣布他们的超级神冈中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量，这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本中部岐阜县的小镇神冈町，希望亲眼目睹实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉休指出：“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”

　　超级神冈探测器重要用来研究太阳中微子。太阳是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量来源。事实 上，到达地球太阳光热辐射总功率大约是170万亿千瓦，只占太阳总辐射量的22亿分之一。爱因斯坦相对论的质能关系式使人们了解了核能，而太阳正是靠着核反应才可以长期辐射出巨大能量，这就是太阳能源的来源。在太阳上质子聚变和其他一些轻核反应的过程中不仅释放出能量，而且发射出中微子。人们利用电子学方法或者放射化学的方法探测中微子。1968年，戴维斯发现探测到的太阳中微子比标准太阳模型的计算值少得多。科学还无法解释太阳中微子的失踪之谜，也许是因为中微子还有许多我们不了解的性质。

　　这个探测装置由来自日本和美国的约120名研究人员共同维护。他们在神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑中设置了一个巨大水池，装有5万吨水，周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，由于水中氢原子核的挲淇极其巨大，两者发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，供科学家们分析。

　　科学家们已经确认中微子有三种形态：电子中微子、μ（缪子）中微子和τ（陶子）中微子；其中只有前两者能够被观测到。日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪子中微子。研究人员在6月12日出版的美国《科学》杂志上报告说，他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入水槽的缪子中微子，只有理论值的百分之六十；在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个，只剩下理论值的一半。他们据此推断，中微子在通过大气和穿过地球时，一部分发生了振荡现象，即从一种形态转为另一种，变为检测不到的陶子中微子。根据量子物理的法则，子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论不言而喻：中微子具有静止质量。研究人员指出，这个实验结果在统计上的置信度达到百分之九十九点九九以上。

　　这个实验不能给出中微子的准确质量，只能给出这两种中微子质量之差－－大约是电子质量的一千万分之一，这也是中微子质量的下限。中微子具有质量的意义却不可忽视。一是如前所述，由于宇宙中中微子的数量极其巨大，其总质量也就非常惊人。二是在现有的量子物理构架中，科学家用假设没有质量的中微子来解释粒子的电弱作用；因此如果它有质量，目前在理论物理中最前沿的大统一理论模型（一种试图把粒子间四种基本作用中的三种统一起来的理论）就需要重建。

　　不过日本科学家不是最早提出中微子具有静止质量的人。早在1980年，苏联理论与实验物理研究所柳比莫夫小组在经过10年的氚?能谱测量以后得出结论，认为中微子的质量为34.4电子伏特。（电子伏特是一个很小的能量单位，相当于一个电子在一伏特的电场中具有的能量。）考虑到仪器因素带来的测量误差和实验方法不完善带来的系统误差之后，中微子的质量应在17至40电子伏特之间。这一结果第一次宣布电子****微子的质量不等于零，轰动了全世界子物理学界和天体物理学界。

　　他们的研究成果公布后，全世界十几个实验室纷纷采用类似的方法检验柳比莫夫小组结果的正确性。1986年，瑞士苏黎士大学物理所、日本东京大学原子核研究所、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室等先后发表了自己的实验结果，与苏联同行的结论相去不远。中国原子能科学研究院从80年代初开始也进行了此项研究，积累了三万多个实验数据，得出结论电子****微子的静止质量在30电子伏特以下。

　　对中微子的研究不仅可以告诉我们宇宙整体的质量，而且可以揭示浩瀚的太空深处各种星体的奥秘。这是因为从星球内部发出的光很难穿过庞大的星球，我们现在所观测到的星光、太阳光只是星球、太阳表面发出的光，只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。因此，揭开关于中微子的各个谜，既是深入认识微观世界的需要，也是深入认识宏观世界的需要。

　　1987年2月23日格林尼治时间10点35分，南半球的几个天台观测到大麦哲伦星云中一颗编号为SN1987A的超新星开始爆发。这消息公布后，几个有大型地下探测装置的实验室立刻查阅了数据记录磁带，发现在当天格林尼治时间7点35分左右总共捕获了24个来自超新星的中微子，记录下了十分珍贵的信息。中微子比光先到达地球是因为在星球内核引力坍缩的最初阶段温度激增至1011摄氏度，在高温下质子与电子合成中子而放出大量中微子。该反应产生强大的激波向外扩散，将星球外层物质加热到几十万度而导致爆发，发出大量的光辐射。这三个小时的时差就是激波从核心传到星球表面的时间。

　　这次观测到超新星的爆发以后，天文学的一个新领域－－中微子天文学诞生了。由于宇宙中存在大量的星际尘埃，对可见光和电磁波有较强的遮蔽作用，使我们无法探测遥远宇宙的奥秘。而中微子可以穿过大量的物质却几乎不发生任何反应，从而为我们带来了宇宙深处的中微子信息。比如虽然SN1987A爆发时我们只记录下了24个中微子，但却可以推算出这颗超新星爆发的总能量和爆发后形成的中子星的直径与质量。

中微子研究的新进展

　　根据物理学的传统理论，稳定、不带电的基本粒子中微子的静止质量应为零，然而美国科学家的研究从另一个角度有可能推翻这一结论。

　　据俄《知识就是力量》月刊报道，美国斯坦福大学的科研人员对最近24年来人类探测中微子所获数据进行分析后发现，从太阳飞向地球的中微子流运动具有某种周期性，每28天为一个循环，这几乎与太阳绕自己的轴心自转的周期相重合。

　　美国科学家认为，这种周期性是由于太阳不均等的磁场作用造成的。磁场强度的变化，使部分中微子流严重偏移，致使探测器难以捕捉到。对此似可得出结论：中微子流有着自己的磁矩，既然有磁矩，就应有静止质量。

　　在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一，但由于它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用，因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。被誉为中微子之父的泡利与费密曾假设它没有静止质量。

　　1998年6月12日，东京大学的一个国际研究小组在美国《科学》杂志上发表报告说，他们利用一个巨大的地下水槽，证实了中微子有静止质量。这一论断在世界科学界引起广泛关注。由日、美、韩三国科学家组成的科研小组日前在此间宣布，他们在实验中观测到了250公里远处的质子加速器发出的中微子。这是人类首次在如此远的距离内观测到人造粒子。

　　日本文部省的高能加速器机构位于筑波科学城，东京大学宇宙射线研究所设在岐阜县的神冈，两地相距250公里。6月19日下午，科学家在高能加速器研究机构使用质子加速器向宇宙射线研究所的神冈地下检测槽发射中微子，并通过检测槽检测到了中微子。由于这批中微子来自筑波科学城方向，并且是在发射之后大约0.00083秒时检测到的，科学家因而断定，它们就是质子加速器发出的那批中微子。

　　这项实验是为了证实中微子有静止质量而设计的。1998年6月，日、美两国科学家宣布探测到中微子有静止质量。如果这一点被证实，现有的理论物理体系将受到巨大冲击。为了验证这一发现，科学家计划人工发射和接收中微子，观察中微子经过远距离传输后发生的变化，推断中微子是否有质量。

　　为了研究宇宙中的中微子，各种新型望远镜不断出现并投入使用。今年9月，一台专门研究中微子的特殊望远镜在地中海中开始安装。它不像普通望远镜那样直指天空，而是“反其道行之”面朝海底。这台“面海观天”的中微子望远镜名为“安塔雷斯”。它由英国、法国、俄罗斯、西班牙和荷兰等国科学家联合设计，安装地点位于距法国马赛东南海岸40公里处。望远镜在海面2.4公里以下，由13根垂入海中的缆状物组成，每个缆状物上将带有20个足球大小的探测器。

　　参与该国际合作项目的英国设菲尔德大学科研人员介绍说，来自宇宙的中微子能畅行无碍地穿越包括地球在内的很多物体。虽然中微子无法直接探测到，但它在穿透地球过程中，偶尔会产生少量的高能量缪子中微子，并发散出特殊辐射光——切伦科夫光。“安塔雷斯”主要通过高灵敏度探测器检测该辐射来研究中微子。由于“安塔雷斯”面向海底，绝大部分宇宙射线会被厚厚的地层屏蔽掉，大大减少了观测过程中的本底噪音。专家说，这台望远镜的安装有可能为更深入揭示伽马射线爆发以及暗物质等宇宙奥秘提供重要线索。

结束语

　　从19世纪末的三大发现至今，已经过去了100年。在这一个世纪，科学技术飞速发展，人类对自然有了进一步的认识。但是仍有许多自然之谜等着人们去解决。其中牵动全局的问题是粒子物理的标准模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。

　　中微子是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事？中微子有没有磁矩？有没有右旋的中微子与左旋的****微子？有没有重中微子？太阳中微子有没有失踪？太阳中微子的强度有没有周期性变化？太阳中微子失踪的原因是什么？有没有中微子振荡？宇宙背景中微子怎样探测？它在暗物质中占什么地位？有没有中微子星？恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘？ 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义，在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发展起来的实验技术和中间成果，使其转化成生产力造福人类，而中微子本身也有可能在21世纪得到应用。

　　其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通讯联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。

　　应用之二是中微子地球断层扫描，即地层CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层也进行勘探，将地层一层一层地扫描。

　　可以预见，绚丽多彩的中微子天文学和中微子的应用将在21世纪大放异彩。

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