位于南极的“冰立方”中微子天文台

今日视点

　　中微子，这个曾在2011年的“超光速”事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词，最近又再次掀起了波澜。

　　先是去年11月，位于南极的“冰立方”中微子天文台首次确定探测到了来自于太阳系外的深空中微子；而后是今年的2月11日，一组英国科学家对中微子的质量提出了新的见解，认为中微子比先前认知的要重得多。

　　此外，还有更多的科学家在跃跃欲试，更多的实验设施和探测设备在建设当中，美国费米实验室计划建造长基中微子实验设施，产生世界上强度最高的中微子束；中国科学院拟投资约20亿元人民币，在广东开平建造世界规模最大的中微子实验室。自从“上帝粒子”被发现、两名预言者被授予诺贝尔奖后，中微子似乎成了科学家最想深入了解的粒子。它到底有何奇妙之处，科学家为何如此偏爱？

中微子是什么？

　　中微子是一种诡异且孤僻的基本粒子，广泛存在于自然界当中。它不带电，质量极小，几乎不与周围的物质世界发生相互作用，可谓是一个无所不在、又不可捉摸的过客。

它从何而来？

　　中微子产生的途径有很多，如恒星内部的热核反应、宇宙射线与地球大气层的碰撞、地球上岩石等各种物质的衰变以及宇宙中的超新星爆发等。太阳内部的核反应每秒钟就能产生10的38次方个中微子。

有什么了不起的？

　　如果要给中微子起一个绰号的话，“最熟悉的陌生人”或许比较合适。因为它是目前地球上最常见、又最不为人所知的一种基本粒子，在物理学标准模型中根本无法对其性质、特征、作用作出解释。

　　这个独行侠身怀绝技：能轻松穿透人体、岩石、山脉乃至整个行星，在宇宙中、星系间任意驰骋。

　　这个独行侠与世无争：它不恋红尘、不问世事，所到之处几乎不留痕迹，来无影去无踪，能穿过一光年厚的铅块而不惊扰任何原子。

科学家是怎么找到它的？

　　虽然中微子行踪诡秘，但常在河边走哪有不湿鞋，偶尔还是会有一些中微子会与原子发生碰撞，产生人们可以观察到的信号。为了及时看到这一瞬间，科学家运用大量的水或油并在其中放置大量的传感器，制成一张特殊的网。这张网虽然无法“网住”中微子，但能捕捉到它们与原子碰撞时所发出的微弱闪光。根据这些涟漪般痕迹，科学家可以推测出它们的能量强度，以及从哪里来、到哪里去等信息。1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。1956年，美国科学家弗雷德里克·莱因斯首次检测到中微子，并因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

在哪里能“看到”中微子？

　　追踪中微子绝不是一件轻松的事情，需要有足够多的经费、足够大的空间，建设足够大的探测器。另外还需要足够多的时间和足够多的耐心，因为那美若烟花般的碰撞瞬间完全是随机发生的。现在，科学家们已经看到许多中微子，它们有的来自肉眼不可见的亚原子世界，有的来自浩瀚的宇宙空间。

　　为屏蔽来自太空的各种射线和其他背景辐射，中微子探测器一般会选择建造在地底或海底深处。即将开建的中国开平中微子实验室及其主要运转部件——中微子探测器将被埋藏在深达700米的地下洞室里。其中，中微子探测器占地直径达50米、高80米，被建在一个大水池中。

　　除此之外，目前国外正在运行的较大的中微子探测器有位于南极冰面下的“冰立方”探测器、地中海海底的“心宿二”中微子望远镜、日本的超级神冈探测器、意大利的格兰萨索国家实验室和加拿大萨德伯里中微子观测站。其中一类用来探测自然产生的中微子，一类用来探测核反应堆和加速器产生的中微子。

中微子是什么“味”的？

　　在对中微子的研究中，科学家们发现中微子总是偏爱和电子、μ子和τ子中的某一种一起被发射和吸收，就像我们喜爱特定口味的冰淇淋一样。因此，科学家们按不同“味道”将中微子分成了电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

　　而后科学家又发现，在飞行中，中微子会发生“变味”——从一种类型转变成另一种类型，这个过程被称为“中微子振荡”。

到底有多重？

　　起初，中微子被认为是没有质量的。但后来的研究发现这解释不通，中微子一定是有质量的。但对中微子质量的测量是一件极其复杂的事情，不得不超出现有的标准模型。由于中微子振荡现象，中微子总处于不断变换之中，它们不具备固定的质量，科学家只能计算出量子混合状态中三种中微子质量的总和。目前最新的数据是，3 种类型中微子的总质量应为0.320±0.081电子伏特。

速度有多快？

　　想必绝大多数人都知道3年前的“中微子超光速”是一次乌龙，那么中微子的速度到底有多快？目前的结论仍然是：与光速接近，但并没有超过光速。当然你也可以将其理解为亚光速。

研究中微子有什么用？

　　对科学家而言，中微子是破译宇宙起源与演化密码最重要的“钥匙”，使得我们能够探索某些非常基本的问题，如宇宙整体的质量、为什么世界是由物质而不是反物质组成的等等。

　　现存的天文学只能让我们看到宇宙大爆炸后38万年的情形，而中微子天文学则能让我们一窥宇宙出生后数秒的奇妙景象。

　　总之，深入了解中微子的性质既是认识微观世界的需要，也是认识宏观世界的需要，它能为人类打开一扇新的大门。

有实用点的吗？

　　让人最有想象空间的一项应用是中微子通讯。一些科学家设想未来可以开发出一套以中微子为基础的通讯系统，无需线缆和电磁波，也无需任何卫星中继，信息可以轻松穿越海洋、高山，甚至是遥远的外太空，届时地球上任意两点的直接通讯和高效率的星际联络都将成为可能。有人甚至认为中微子通讯还能帮助我们与外星人取得联系。