中微子振蕩是怎樣發現的

曹俊

新聞背景

2015年諾貝爾物理學獎頒給了日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·麥克唐納，表彰他們發現中微子振蕩現象，證實中微子有質量。它揭示了微觀世界一個全新的規律，對研究宇宙和天體的起源與演化也有重大影響。

從1957年提出想法，到2002年通過大氣中微子實驗、太陽中微子實驗、反應堆中微子實驗確立，中微子振蕩現象探測發現，一波三折、令人驚奇。

太陽的能量來源

太陽的光和熱滋潤了萬物生長。科學家們長久地思考，它的能量是哪裡來的？太陽對我們太重要了，它表面上的一點漣漪——太陽黑子，也會對我們的生活帶來可觀的影響。幾百年前，有人說跟煤燃燒一樣。一百多年前，有人說是引力釋放的能量。直到幾十年前，科學家們仍在爭論這個問題。二十世紀初物理學的突飛猛進，讓英國的愛丁頓提出了更合理的假說：太陽的能量來自氫核聚變。接下來的二十年，一個又一個的理論困難被解決，到1939年，德國科學家貝特等人提出了完整的機制：氫核通過質子-質子鏈反應和碳-氮-氧循環反應，聚變成氦原子核，從而釋放出巨大的能量。

得不到實驗檢驗的理論只能算是一種假說。現在我們有一個聽起來幾乎完美的答案，怎麼才能檢驗它對不對呢？核聚變只能發生在太陽核心很小的一片區域，那裡的溫度和密度遠遠高於外層，才能讓聚變反應得以發生。產生的熱能要經過10萬年，才能傳遞到太陽表面，變成我們能感知的光和熱。要驗證這個理論機制，似乎是一件無法完成的任務，就算是腳下的地球，我們至今也不能深入核心去探究。

幸好有一種神秘的粒子，它可以輕鬆地從太陽核心穿出，告訴我們太陽的秘密。它叫中微子。1930年，奧地利科學家泡利為解釋核衰變中能量似乎不守恆的現象，預言了這樣一種「永遠找不到」的粒子。26年後，費盡千辛萬苦，科學家還是在核反應堆旁找到了中微子存在的證據。假如貝特的理論是正確的，我們可以根據太陽釋放的能量，精確地計算出太陽釋放出多少中微子，以及它們的能量分布。計算得到的數字讓人驚訝：儘管地球離太陽這麼遠，每一秒鐘依然有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體。

1968年，美國的戴維斯在一個廢舊金礦中觀測到了來自太陽的中微子。他採用了615噸四氯乙烯作為探測器。因為中微子幾乎不與物質反應，億萬個太陽中微子毫髮無損地穿過探測器。但偶爾也有例外，大約每4天會有一個中微子被捕獲，將一個氯原子變成放射性的氬原子。通過探測氬原子的放射性，戴維斯探測到了太陽中微子，證實了愛丁頓和貝特關於太陽能量來自氫核聚變的理論，因此榮獲了2002年諾貝爾獎。

太陽中微子失蹤之謎

儘管戴維斯如願找到了太陽中微子，卻發現了一個大問題：測到的中微子數僅有預期的三分之一。這被稱為「太陽中微子失蹤之謎」。

是貝特的太陽模型不對嗎？這可是個大問題。在科學研究中，看似合理，但一到認真定量分析就證明不對的理論比比皆是。事實上，直到今天，人們仍在更高的精度上反覆檢驗太陽模型，比如最近發現的太陽金屬丰度疑難。

也可能是戴維斯的實驗測量不準確。太陽中微子在他的探測器中每4天產生一個氬氣原子，在615噸液體中撈個原子，比渤海中撈一根針還要難。他通過吹氮氣的方法，將這個原子撈出來。儘管他通過小的驗證裝置說明，90%以上的氬原子都能撈出來，也不能讓人信服。假如他實際上只撈出了30%，那就與理論一致了。可憐的戴維斯日復一日地重複著這個實驗，從上世紀70年代到90年代，做了整整30年時間。到他獲得諾貝爾獎時，已經88歲高齡，是歷史上最年長的獲獎者。越來越多的人加入了探測太陽中微子的行列，幾十年間，通過鎵俘獲、在水中散射等不同的方法，大家確信，理論預測中的太陽中微子確實大部分丟了。

還有一種解釋，就是中微子發生了振蕩，從一種中微子變成了其它中微子。太陽產生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：繆中微子和陶中微子。1957年，叛逃到前蘇聯的義大利物理學家龐蒂科夫提出了中微子振蕩的概念。假如中微子有質量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過程中自發變成另一種，還能變回來，像波一樣振蕩。由於這些探測器對繆中微子和陶中微子不靈敏，太陽中微子振蕩成其它中微子後，就像是丟了一樣。

用中微子振蕩解釋太陽中微子丟失聽起來很合理，但一定量分析又不對。首先，不同的實驗雖然都看到中微子減少了，但減少的程度卻不一樣，無法同時解釋這些實驗結果。其次，太陽很大，不同地點產生的太陽中微子處于振盪的不同位置，我們看到的應該是平均效果，最多只會丟一半，而戴維斯看到的是丟了三分之二。

很長一段時間，太陽中微子失蹤之謎一直困擾著科學家。

大氣中微子反常

上世紀70年代末，日本的小柴昌俊提出進行神岡實驗，來尋找質子衰變。在現有的理論中，質子是穩定的。假如存在更基本的大統一理論，質子就會衰變。神岡實驗位於岐阜縣一個地下1千米的廢棄砷礦中，採用了3千噸純凈水和1千個極其靈敏、能夠探測到單個光子的光電倍增管。實驗1982年開始建設，1983年建成。

神岡實驗沒有找到質子衰變，但是發現了一個奇怪的現象。來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中會產生大量中微子，稱為大氣中微子，包括電子中微子、繆中微子以及它們的反粒子。質子衰變即使有，也是極其稀少的，必須非常乾淨地去掉各種假信號，因此需要準確估算大氣中微子會帶來多少假信號。1988年，小柴昌俊的學生、29歲的梶田隆章在分析數據時發現，測到的中微子比預期少，被稱為「大氣中微子反常」。

當時很自然就想到是不是中微子振蕩？但是沒有最終的定論，原因有三。首先是預測大氣中微子的產額比較複雜，有可能計算不準確。其次是理論家們不相信。要用中微子振蕩解釋大氣中微子反常，需要中微子的混合是最大值，這與在夸克中發現的小混合很不一樣。第三，同時進行的還有法國和義大利的兩個實驗，他倆居然說沒減少。

非凡的發現需要非凡的證據。不管怎麼樣，這樣單薄的證據不足以讓人相信中微子振蕩。

發現大氣中微子振蕩

如果不是大自然的慷慨，大氣中微子反常之謎也許還要延續很久，因為中微子太難探測，更準確的實驗需要大筆的經費投入。就在小柴昌俊退休前不久，銀河系的小兄弟大麥哲倫星雲內有一顆恆星走到了生命的終點，它的臨終掙扎就是超新星爆發——SN1987A（實際上它的光傳到地球上需要16.8萬年）。它的光芒蓋過了整個星系，肉眼就可見到。這是400年來觀測到的最明亮的超新星。神岡實驗觀測到了11個它發出的中微子，證實了超新星爆發會產生極其多的中微子。超新星在宇宙演化中非常重要。主流的理論認為，它的爆發需要中微子助力才能發生，但同太陽中微子一樣，需要證據證實。小柴昌俊因「觀測到來自宇宙的中微子」，與戴維斯一起分享了2002年諾貝爾獎。

因為這個成果，日本政府同意小柴昌俊建造一個大得多的新探測器——超級神岡。它於1991年開始建造，1996年完成，採用了5萬噸純凈水，13000個光電倍增管，是國際中微子研究當之無愧的旗艦。直到今天，這樣的規模仍然讓人震撼。

1998年6月的日本高山市，在發現「大氣中微子反常」現象10年後，梶田隆章代表超級神岡在「國際中微子大會」上報告，以確鑿的證據發現了大氣中微子振蕩。比神岡實驗大20倍的超級神岡，測到了足夠的大氣中微子，顯示了它的丟失比例隨飛行距離的變化，而這是中微子振蕩的關鍵特徵。

丟失的太陽中微子找到了

在發現大氣中微子振蕩3年後，阿瑟·麥克唐納領導的加拿大薩德伯里實驗宣布找到了失蹤的太陽中微子，證實了太陽中微子振蕩。

1985年，加州大學爾灣分校的華人物理學家陳華森提出了一個巧妙的方法，採用重水同時探測三種中微子，這樣就可以知道太陽中微子是真的丟了，還是通過振蕩變成了其它中微子。以前的太陽中微子實驗都只能探測電子中微子。

根據這個方法，加拿大在一個地下2100米的鎳礦中建造了薩德伯里實驗。重水非常昂貴，不過加拿大有個得天獨厚的條件，它的商用核電站是唯一採用重水堆技術路線的，實驗得以從核電公司借了1千噸、價值約100億元人民幣的重水。跟神岡實驗相似，它也採用水和光電倍增管做探測器，只不過換成了重水，裝在一個直徑12米的有機玻璃容器中。1999年實驗開始運行，到2001年，已探測到了足夠的太陽中微子，證明電子中微子確實丟失了，結果與以前的實驗一致；但三種中微子的總數卻沒有變。不幸的是，陳華森於1987年去世，年僅45歲，沒能看到實驗成功。

理論上也有了重大的突破。美國物理學家沃芬斯坦注意到，電子中微子在物質中會受到電子的散射，將改變中微子的振蕩效應。後來前蘇聯的米赫耶夫和斯米爾諾夫將這個想法用於解釋太陽中微子問題，人們才意識到，以前認為中微子在從太陽飛到地球的過程中發生振蕩的看法是完全錯誤的。對能量比較高的中微子，振蕩發生在太陽內，飛出太陽後就不再振蕩了，這樣振蕩幾率就可以超過一半。而能量比較低的太陽中微子物質效應比較小，飛離太陽後還可以發生振蕩。這樣可以精確地解釋為何不同實驗看到不同的結果，因為它們的能量範圍不同。

2002年日本KamLAND實驗用反應堆中微子證實了太陽中微子振蕩模式。至此，中微子振蕩得到了完全的證實。

宇宙反物質消失之謎

物質世界最基本的規律由粒子物理「標準模型」描述，它是無數實驗證實的、內部統一的理論體系，相關的實驗和理論研究先後被授予了18次諾貝爾獎!在這個理論中，中微子是沒有質量的。中微子振蕩第一次，也是唯一的一次，以確鑿的證據證明，標準模型需要進一步發展。有可能只是一個簡單的修改，也有可能打開一片新空間。

宇宙誕生時，正反物質成對產生，是一樣多的。但現在我們的宇宙幾乎找不到反物質的蹤影，被稱為「反物質消失之謎」。中微子振蕩中會出現一種稱為「CP破壞」的現象，導致正反物質的行為不對稱。是不是中微子振蕩導致了反物質的消失，是宇宙起源必須解決的關鍵問題。

因為中微子振蕩的重要性，今年的諾貝爾物理學獎授予了發現大氣中微子振蕩的梶田隆章和證實太陽中微子振蕩的阿瑟·麥克唐納。

2012年，中國的大亞灣中微子實驗發現了除大氣中微子模式和太陽中微子模式外的第三種振蕩模式，為測量中微子質量順序和「CP破壞」打開了大門。有多個新實驗被批准或正在申請中，包括中國採用2萬噸液閃探測器的江門中微子實驗，美國採用1萬-4萬噸液氬探測器的加速器實驗，印度採用5萬噸鐵的INO實驗，韓國1.8萬噸液閃實驗，美國在南極的PINGU實驗，法國在地中海的ORCA實驗，以及日本100萬噸純凈水的超超級神岡實驗。

可以預期，未來的一二十年，將會有更多的中微子秘密被揭開。

（作者為中國科學院高能物理研究所研究員，現任大亞灣中微子實驗發言人和江門中微子實驗副發言人，2012年「亞太物理學會聯合會楊振寧獎」獲得者）