科學家為何偏愛中微子

中微子，這個曾在2011年的“超光速”事件中一度街知巷聞的粒子物理學名詞，最近又再次掀起了波瀾。

先是去年11月，位於南極的“冰立方”中微子天文台首次確定探測到了來自於太陽系外的深空中微子﹔而后是今年的2月11日，一組英國科學家對中微子的質量提出了新的見解，認為中微子比先前認知的要重得多。

此外，還有更多的科學家在躍躍欲試，更多的實驗設施和探測設備在建設當中，美國費米實驗室計劃建造長基中微子實驗設施，產生世界上強度最高的中微子束﹔中國科學院擬投資約20億元人民幣，在廣東開平建造世界規模最大的中微子實驗室。自從“上帝粒子”被發現、兩名預言者被授予諾貝爾獎后，中微子似乎成了科學家最想深入了解的粒子。它到底有何奇妙之處，科學家為何如此偏愛？

中微子是什麼？

中微子是一種詭異且孤僻的基本粒子，廣泛存在於自然界當中。它不帶電，質量極小，幾乎不與周圍的物質世界發生相互作用，可謂是一個無所不在、又不可捉摸的過客。

它從何而來？

中微子產生的途徑有很多，如恆星內部的熱核反應、宇宙射線與地球大氣層的碰撞、地球上岩石等各種物質的衰變以及宇宙中的超新星爆發等。太陽內部的核反應每秒鐘就能產生10的38次方個中微子。

有什麼了不起的？

如果要給中微子起一個綽號的話，“最熟悉的陌生人”或許比較合適。因為它是目前地球上最常見、又最不為人所知的一種基本粒子，在物理學標准模型中根本無法對其性質、特征、作用作出解釋。

這個獨行俠身懷絕技：能輕鬆穿透人體、岩石、山脈乃至整個行星，在宇宙中、星系間任意馳騁。

這個獨行俠與世無爭：它不戀紅塵、不問世事，所到之處幾乎不留痕跡，來無影去無蹤，能穿過一光年厚的鉛塊而不驚擾任何原子。

科學家是怎麼找到它的？

雖然中微子行蹤詭秘，但常在河邊走哪有不濕鞋，偶爾還是會有一些中微子會與原子發生碰撞，產生人們可以觀察到的信號。為了及時看到這一瞬間，科學家運用大量的水或油並在其中放置大量的傳感器，制成一張特殊的網。這張網雖然無法“網住”中微子，但能捕捉到它們與原子碰撞時所發出的微弱閃光。根據這些漣漪般痕跡，科學家可以推測出它們的能量強度，以及從哪裡來、到哪裡去等信息。1930年，奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設。1956年，美國科學家弗雷德裡克·萊因斯首次檢測到中微子，並因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。

在哪裡能“看到”中微子？

追蹤中微子絕不是一件輕鬆的事情，需要有足夠多的經費、足夠大的空間，建設足夠大的探測器。另外還需要足夠多的時間和足夠多的耐心，因為那美若煙花般的碰撞瞬間完全是隨機發生的。現在，科學家們已經看到許多中微子，它們有的來自肉眼不可見的亞原子世界，有的來自浩瀚的宇宙空間。

為屏蔽來自太空的各種射線和其他背景輻射，中微子探測器一般會選擇建造在地底或海底深處。即將開建的中國開平中微子實驗室及其主要運轉部件——中微子探測器將被埋藏在深達700米的地下洞室裡。其中，中微子探測器佔地直徑達50米、高80米，被建在一個大水池中。

除此之外，目前國外正在運行的較大的中微子探測器有位於南極冰面下的“冰立方”探測器、地中海海底的“心宿二”中微子望遠鏡、日本的超級神岡探測器、意大利的格蘭薩索國家實驗室和加拿大薩德伯裡中微子觀測站。其中一類用來探測自然產生的中微子，一類用來探測核反應堆和加速器產生的中微子。

中微子是什麼“味”的？

在對中微子的研究中，科學家們發現中微子總是偏愛和電子、μ子和τ子中的某一種一起被發射和吸收，就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此，科學家們按不同“味道”將中微子分成了電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

而后科學家又發現，在飛行中，中微子會發生“變味”——從一種類型轉變成另一種類型，這個過程被稱為“中微子振蕩”。

到底有多重？

起初，中微子被認為是沒有質量的。但后來的研究發現這解釋不通，中微子一定是有質量的。但對中微子質量的測量是一件極其復雜的事情，不得不超出現有的標准模型。由於中微子振蕩現象，中微子總處於不斷變換之中，它們不具備固定的質量，科學家隻能計算出量子混合狀態中三種中微子質量的總和。目前最新的數據是，3種類型中微子的總質量應為0.320±0.081電子伏特。

速度有多快？

想必絕大多數人都知道3年前的“中微子超光速”是一次烏龍，那麼中微子的速度到底有多快？目前的結論仍然是：與光速接近，但並沒有超過光速。當然你也可以將其理解為亞光速。

研究中微子有什麼用？

對科學家而言，中微子是破譯宇宙起源與演化密碼最重要的“鑰匙”，使得我們能夠探索某些非常基本的問題，如宇宙整體的質量、為什麼世界是由物質而不是反物質組成的等等。

現存的天文學隻能讓我們看到宇宙大爆炸后38萬年的情形，而中微子天文學則能讓我們一窺宇宙出生后數秒的奇妙景象。

總之，深入了解中微子的性質既是認識微觀世界的需要，也是認識宏觀世界的需要，它能為人類打開一扇新的大門。

有實用點的嗎？

讓人最有想象空間的一項應用是中微子通訊。一些科學家設想未來可以開發出一套以中微子為基礎的通訊系統，無需線纜和電磁波，也無需任何衛星中繼，信息可以輕鬆穿越海洋、高山，甚至是遙遠的外太空，屆時地球上任意兩點的直接通訊和高效率的星際聯絡都將成為可能。有人甚至認為中微子通訊還能幫助我們與外星人取得聯系。