中微子振荡新发现有助于揭开宇宙起源之谜

摘要

​在灾难大片《2012》中,大量来自太阳的神秘粒子——中微子发生了变异,从内部加热地球,引发火山和海啸,使城市沉入大海。逼真的场景甚至引发了公众的担忧:中微子是什么东西?它真的会毁灭地球吗?

题图

​​​也许正是小小的中微子才造成了宇宙,造就了人类——《新科技知识 干部读本》

(文/​​中国科学院高能物理研究所 曹俊)

【神秘的中微子】

​在灾难大片《2012》中,大量来自太阳的神秘粒子——中微子发生了变异,从内部加热地球,引发火山和海啸,使城市沉入大海。逼真的场景甚至引发了公众的担忧:中微子是什么东西?它真的会毁灭地球吗?

1中微子在电影《2012》中加热地球,导致灾难

中微子是宇宙中最基本的粒子之一,它的最大特点就是几乎不与任何物质反应。不管是人体还是地球,在它看来,都是极为空旷、可以自由穿梭的空间。我们感觉不到它的存在,科学上探测也极为困难。1930年,奥地利科学家泡利为了解释原子核衰变中能量似乎不守恒的困难,预言了中微子的存在,认为就是这种“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过整整26年的寻找,美国科学家科万和雷因斯终于在核反应堆旁探测到中微子,证明了它的存在。雷因斯因此获得了1995年诺贝尔奖。

太阳的确会发射出不计其数的中微子。地球上任何一块指甲大小的地方,每秒钟就有600亿个太阳中微子穿过,它们来自太阳核心的核聚变过程。每四个氢原子核聚变成一个氦原子核,释放出巨大能量的同时,也发射出两个中微子。1967年,美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验,探测到了来自太阳的中微子,证实太阳无穷无尽的能量确实来自氢核聚变,被授予2002年诺贝尔奖。

太阳46亿年前就开始发光,同时发射出中微子。不像分子可以重组、基因可能突变,中微子是最基本的粒子,它没有大小、没有结构,不可能突然发生变异,就像一块石头不能变成金块。2012已经过去,灾难并没有发生,但是中微子的一系列奇特性质,依然强烈吸引着科学家。

【发现中微子振荡】

探测到太阳中微子后,戴维斯进一步提高测量精度,却发现它的数量比理论预言的要少得多。他用了30年时间反复检验,探测到的中微子始终只有预计的三分之一,被称为“太阳中微子失踪之谜”。无独有偶,1988年,小柴昌俊和他的学生梶田隆章在日本神冈实验中发现,宇宙射线在大气层中产生的中微子也比预期少,称为“大气中微子反常”。

由于中微子难以探测,要解决这些谜团需要巨大的探测器,获取更精确的数据。幸运的是,就在小柴昌俊退休前几周,神冈实验碰巧探测到了超新星爆发产生的中微子,这也是迄今为止唯一的一次。超新星爆发是恒星燃烧到生命尽头后发生剧烈天文现象,对理解宇宙演化非常重要。金、银、还有生命所需的很多微量元素,都是超新星爆发时合成出来的。理论上认为,超新星爆发需要中微子推动才能发生,小柴昌俊的发现为这一理论提供了证据,因此他与戴维斯分享了2002年诺贝尔奖,也因此得到经费支持,将3千吨的神冈探测器升级成了5万吨的巨无霸——超级神冈探测器。

超级神冈探测器是一个直径40米、高40米的圆柱形大水池,里面灌有5万吨纯净水。无数穿过探测器的大气中微子中,偶尔会有一个撞上水中的原子核,产生一道微弱的闪光。这些闪光会被水池壁上安装的一万多个极其灵敏的光探测器——光电倍增管捕捉到,从而探测到中微子。

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5万吨的日本超级神冈探测器(Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo)

发现大气中微子反常10年后,梶田隆章通过超级神冈实验的数据确证,大气中微子在飞行过程中自发变成了其它种类的中微子,因此看上去变少了。这种现象被称为“中微子振荡”。2002年加拿大萨德伯里实验证实,太阳中微子失踪也是因为中微子振荡。实验的领导人麦克唐纳和梶田隆章一起获得了2015年诺贝尔物理奖。

【中微子与宇宙起源】

中微子共有三种,分别是电子中微子、缪中微子和陶中微子。它们无处不在,在大部分核过程中都能产生,如太阳发光、反应堆发电、岩石的天然放射性衰变,等等,连每个人也会因体内的钾-40衰变而每天发射约4亿个中微子。

在宇宙诞生的第一秒就产生了无数的中微子,它们留存在现在,充斥着整个宇宙,每一秒钟就有1亿亿个穿过我们的身体。它们带着远古宇宙的印记,能够告诉我们宇宙诞生的故事。然而,由于宇宙的膨胀,它们的能量已经降到非常低,以致于现在还没有找到办法探测。

以前一直认为中微子没有质量,永远以光速飞行。但很早以前就有人提出,假如它们有微小的质量,就可能出现振荡现象。比如反应堆产生电子反中微子,以接近光速飞离反应堆后,开始变成另外两种中微子,在2公里左右达到极大值,然后开始变回原来的中微子,像波一样振荡。这是一种在宏观上表现出来的微观量子干涉现象。

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大亚湾实验观测到的中微子振荡:中微子从反应堆飞行一段距离后仍然是它本身的几率。

​发现中微子振荡现象间接证明了中微子有质量,但由于质量极其小,我们至今也没能测出来。也正是因为其质量极其小,我们也不确定在理论上怎么描述,很可能它的质量起源与其它基本粒子是不同的,所以一般认为中微子可能是新理论的突破口。中微子在宇宙中为数极为庞大,极其微小的质量就会影响宇宙的起源和演化。

宇宙诞生于138亿年前。根据已知的物理规律,在宇宙早期,正反物质应该成对产生,是一样多的。可是我们现在的宇宙中,并没有发现大量反物质存在的迹象。反物质哪里去了?这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来一个意外的后果,即正反粒子的行为可以不一样,很有可能造成反物质消失。这将是未来中微子实验研究的重点。

4中微子可能导致了宇宙起源中的反物质消失之谜

【我国的中微子研究】

发现中微子振荡后,寻找大气中微子和太阳中微子振荡以外的第三种振荡模式成为研究热点。它的振荡大小由参数 θ13 描述,如果它太小,"反物质消失之谜"就不可能是中微子振荡造成的,同时,未来中微子振荡实验的信号也会很小,用现有技术就测不到这些未知参数。

2003年,中国科学家开始计划,利用大亚湾核电站发出的中微子来寻找第三种振荡模式。经过8年的准备和建设,建成了包括3公里隧道、3个地下实验厅、和8个中微子探测器的实验站。2012年3月8日,大亚湾中微子实验在激烈的国际竞争中率先发现了这种新的振荡,测到了振荡参数θ13,发现它比最初估计的要大得多,为未来的中微子研究打开了大门。​

5大亚湾中微子实验站安装场景,4个110吨重的中微子探测器浸泡在2000吨纯净水中。

​此后,多个新实验得以提出,以研究中微子振荡中尚未解决的两个重要问题:质量顺序和正反物质不对称性。其中包括中国的江门中微子实验,将在地下700米建立一个2万吨的探测器,计划2020年建成,以研究中微子质量顺序以及来自天体和地球中微子。美国、日本、印度、法国、韩国也将建设万吨以上的中微子探测器,进行这两项研究。

【未来的中微子研究】

中微子研究已经4次获得诺贝尔奖,2016年度基础物理学突破奖也授予了包括大亚湾实验在内的5个中微子振荡实验,但中微子仍然存在很多重大谜团,像它的质量大小和起源?它是不是自身的反粒子?是否存在第4种中微子?能不能探测到宇宙大爆炸残留的中微子?是不是中微子导致了宇宙反物质消失?

如果反物质依然大量存在,正反物质接触就会发生比核弹还猛烈千倍的爆炸,宇宙就会像诞生之初一样,依然一片混沌,不会形成日月星辰。从这个意义上,也许正是小小的中微子才造成了宇宙,造就了人类。​​​​

原文链接:http://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404097645726566285​​​​

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