宇宙中的变色龙（下）

来源：现代物理知识杂志

雷· 贾亚瓦哈纳著。李学潜1 沈彭年2 丁亦兵3 译  1 南开大学；2 中国科学院高能物理研究所；3 中国科学院大学

中微子振荡的发现产生了几个意义深远的结果。其中一个结果是，它证明了中微子不是无质量的，这与标准模型的预期相反。因此，它是证明标准模型可能并不完美的第一个决定性的证据。另外一个结果是，对这些振荡的测量提供了一种探索“ 新物理学” 的方法，物理学家用“ 新物理学” 一词描述标准模型解释不了的现象。就像威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家黑格告诉我的：“ 传统的粒子物理学只确认了标准模型。中微子振荡是存在某种超越标准模型的东西的第一个信号。那个发现极大地推动了这个领域的发展。”

发现中微子有质量也是宇宙学家感兴趣的事情。由于中微子是数量仅次于光子的宇宙中第二多的粒子，所以尽管每个粒子都只有一点点的质量，但其总质量可以达到一个很大的数字。因此某些宇宙学家希望中微子能解释大量神秘的暗物质，暗物质的存在只能通过它对星系和星系团的引力影响而被“ 看到”。但中微子的质量已被证明实在是太小了，所以不能用它解释暗物质。这意味着必然存在着某种或某些其他的、物理学迄今未知的粒子。猎捕仍在继续，但是至今还未出现很好的候选目标。

超级-K和SNO的发现也为其他的中微子实验打好了基础，这些实验专注于对不同味的中微子如何相互转换进行精确测量。物理学家喜欢用称为“ 混合角”的参数来描述这些振荡的特性，这有点类似于可以用俯仰、偏航和横滚来描述飞机动力学。通过超级-K和SNO，他们能够确定三个角度中的两个，但不能确定称为θ13的第三个角度。对所有这三个角度的测量将使得研究人员可以敲定这三种类型中微子之间的质量差。更重要的是，他们可以从中微子转化的具体细节中收集有趣的新物理学。物理学家热衷于弄清楚的一件事情是，中微子和它们的反物质孪生兄弟的行为方式是否相同。如果不相同，那这很可能就是理解宇宙如何演变成被超越了反物质的物质所主宰的关键，我将在第七章讨论这一问题。还有一个不断烦扰物理学家的问题是，是否真的只有三种味的中微子。一些奇特的理论已经提出了第四种中微子，称为惰性中微子，它绝对不会与物质发生相互作用，但可以通过间接的方式被显露出来。这将是最冷漠的一类中微子，极难确定，然而如果它的质量大到了能够解释暗物质的话，那么它对宇宙学来说就是极其重要的。

最近的振荡实验大多依赖于来自诸如核反应堆和粒子加速器等人工源的中微子，而不是那些源于地球上层大气或太阳的中微子，就像超级-K和SNO所做的那样。发现太阳中微子振荡后不久，日本物理学家通过测量来自神冈周围的商用反应堆的反中微子，确认了这一现象是真实的。的确，只有一部分中微子到达了探测器，其他的中微子似乎在途中都演变成了不同类型的中微子。在加速器中产生的中微子束流向实验家提供了控制所研究粒子的数量、类型和能量的最好机会。美国的MINOS实验也发现了中微子振荡的证据，该实验是从芝加哥附近的费米实验室向一个大约724千米远的安装在废弃的苏丹铁矿中的探测器发射中微子束流，该矿位于明尼苏达州北部。

目前正在进行的最大的中微子振荡实验之一是被称为T2K（“东海至神冈”）的实验。该实验需要发送一束强中微子束流穿过日本本州岛。产生中微子的粒子加速器位于东海岸的东海，而神冈探测器在大约290千米以外的岛的西部。该实验由来自12个国家的近500位科学家组成的大型国际合作组筹建并运行，于2010年1月开始取数。原本设想在2011年3月11日当地时间下午3:00在东京的一个讨论会上宣布第一批结果，但未能实现。正好在预定的公布时间之前的14分钟，一次强烈的地震袭击了日本的东北海岸。这次地震达到了里氏9级，是日本有记录以来最强烈的一次地震，它引发了一场毁灭性的海啸。据后来的估计，地震和海啸共造成15 000 多人死亡，总经济损失超过2000亿美元。那时最令人担忧的是福岛核电站的熔毁，海啸巨浪使核电站用于冷却设备的电力供应全部瘫痪，甚至备用的柴油发电机也被摧毁了。

就读于加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）的研究生柯比因为要在控制室值两周的班，提前一天到达了东海。3 月11 日下午大楼突然开始震颤，他和其他几个人蹲到了桌下。“ 摇晃持续了相当长的一段时间。” 他回忆道。很快就断电了。震颤一停下来，柯比就和同事马上冲到了外面。“ 有几分钟的余震，感到地面在摇晃。” 他说。他不知道地震的震中离东海有多远，也不清楚地震给北面只有200 千米远的仙台市及周边地区造成了多大的灾难。等形势稍微平稳一点之后，他和同事们立刻骑车回到了他们在附近租的房子，并趁冰箱中的食物还未因断电而变坏赶紧吃了一顿烧烤。

再回到温哥华看看。在地震发生几小时后，奥泽的妻子叫醒了他，告诉他日本发生了地震。UBC 的奥泽教授是T2K合作组的加拿大发言人，柯比的博士生导师。奥泽查看了网上地图，看到震中离东海不远。然后，他打开他的电子邮箱，希望能收到他的学生的信件。收件箱中有很多日本以外的T2K合作者发来的信件，其中最后一封邮件来自柯比的忧心忡忡的母亲。他把柯比在日本的手机号码发给她，并且自己也试着给柯比打电话。令他吃惊和安慰的是，柯比接了电话。除了没电、不能上网以及手机电量不足之外，柯比一切都很好。T2K协作组安排他们在东海的同事撤离到了较远的内陆，然后再离开这个国家。几天之后，柯比离开了日本。

没有人知道实验的情况。“ 我们没有期望什么东西能在9级地震后留下来。” 奥泽告诉我，“ 道路不通，几个星期没有电，所以还要等一段时间才可以派人去检查东海实验室。” 幸运的是，损坏比所担忧的要小得多。被牢牢固定在基层岩石上的建筑大部分都完整地保留了下来，但周围的道路已经坍塌，几条电力电缆断裂了，供冷却设施所用的水供应也已经中断。多亏了海啸护堤的保护，海浪没有到达实验室。但是，修理还是花了一年多的时间。2012年4月，T2K实验再次开始取数。

与此同时，T2K在地震前收集的并在2011年6月宣布的数据表明，一些μ子型中微子变成了电子型中微子。SNO和超级-K以前的研究已经展示了另外两种中微子振荡，但这一次是科学家第一次发现第三种转换类型的直接证据。在东海产生的许多μ子型中微子中，有88个被记录在将近298千米外的神冈探测器中。尽管原始的粒子束流中只有μ 子型中微子，但这88个中微子中的6个是以电子型中微子的形式到达的，所以它们的味必然在途中发生了改变。就像卡恩斯解释的：“ 尽管我们研究中微子振荡已经有好几年了，但看到这6个事件仍然是一件令人兴奋不已的事。” 麻省理工学院（MIT）的温斯洛认为，对中微子物理学来说，这些探测标志着一个激动人心的里程碑，他把它们描述为“6个有史以来最受欢迎的中微子事件”。由于记录的振荡如此之少，T2K的结果还没有精确到可以测量第三个混合角的实际数值，但它们显示θ13不为零。这一结果给出了这样的可能性：中微子和反中微子在与物质相互作用的方式上的确是不同的。

其他3个追逐θ13的实验也紧跟着T2K热了起来。其中一个实验位于法国东北部的休茨村，它测量商用核电站在其常规运行的过程中产生的中微子。物理学家在紧靠核反应堆的地方安装了一台探测器，并在离它1000米（0.62英里）远的地方安装了另外一台探测器，以便探测电子型中微子的消失率。2011年秋天，他们报告了从双休茨前100天的数据得到的结果（因为该实验涉及两个探测器，所以被称为双休茨）。他们的测量独立地确认了θ13不为零，但未能很好地敲定它的数值（此处原文有误，双休茨实验紧靠反应堆的探测器直到2014年9月才完成安装，2011年报告的结果只有一台探测器的数据，并非如文中的两台，因此结果非常粗略，置信度仅为1.7倍标准偏差，尚不及T2K的精度，因而无法确认θ13 不为零，只能给出不为零的迹象。中国的大亚湾实验2012年3月首次确定了θ13不为零，置信度为5.2 倍标准偏差。—— 译者）。另一个位于中国大亚湾的实验对转换更为敏感。该实验所依托的世界上最强大的核电站之一，以及深埋于地下的大型探测器，都有助于减少宇宙线撞击的次数。在分析了仅两个月的数据之后，大亚湾合作组在2012年3月宣布，他们首次很好地测出了θ13的值。研究人员发现，大约6%的电子型中微子在反应堆和探测器之间穿行了2000米之后消失了。大约一个月后，设在韩国的称为RENO（中微子振荡的反应堆实验）的第三个实验证实了大亚湾的结果，尽管其精度较低。正如大亚湾合作组的美方发言人陆锦标所解释的：“ 最终证明θ13 是相当大的。这是一个惊喜。”他说，这个发现“ 为很多事情打开了防洪闸。这将使理论家深入到超越标准模型的新物理学”。

麻省理工学院参加双休茨实验工作的康拉德也对她所谓的“ 精确中微子物理学” 的到来感到兴奋。在俄亥俄州北部长大的康拉德在孩提时期就看过《星际迷航》，还用一个朋友的望远镜盯着天上的星星看。她梦想成为一个天文学家或星际飞船上的科学官员。然而，在她开始阅读南茜· 朱尔和夏洛克· 福尔摩斯的推理小说之后，她的职业生涯计划就改变了：她想成为一名侦探。后来，一个美妙的景象又吸引她重新回到了科学。当时康拉德还是个十几岁的孩子，为了在花展上展示她那盆有望获奖的大丽花，她凌晨就爬起来给花喷洒温水，那时天都还没亮，这盆花是她和她那身为农业科学家的父亲一起种的。在外面的花园里，秋天寒冷的空气拂过她的脸庞，她看到了北极光，并被这一来自太阳的带电粒子撞击地球大气层而产生的五彩缤纷的奇景迷住了。她记得，极光是“ 如此难以置信的美丽，如此丰富多彩”。

后来，康拉德在斯沃斯莫尔学院读大学时选修了量子力学课程，并迷上了亚原子世界的趣事。她在哈佛大学得到了一份暑期工作，在实验室里使用来自回旋加速器的粒子束流治疗眼癌，但对康拉德来说，三年级时对费米实验室的参观决定了她的未来。今天，作为一个中微子猎手和麻省理工学院的教授，康拉德把她对科学的喜爱和对解决奥秘的钟爱结合在了一起。正如她所说：“ 一个侦探不总是一个科学家，但一个科学家总是一个侦探。” 她相信中微子是解开某些最大的宇宙之谜的关键，并对未来10 年中会有重大突破的前景表示乐观。“ 我们正在进入一个令人兴奋的阶段。人们花费了很长的时间才走到这一步，不过现在我们可以用高精度测量来处理重要的问题了。”她补充道。

的确，自从蓬泰科尔沃首先提出中微子可能患有多重人格障碍以来，中微子猎手们已经走了很长的路。由于神冈探测器和SNO的发现，这些坚定的研究人员已经解决了太阳中微子失踪这一几十年来戴维斯和巴考尔甘冒名誉受损的风险而一直绞尽脑汁钻研的棘手问题。中微子猎手也发现了中微子确实有质量——第一个超越标准模型物理学的确凿证据—— 以及它们在三种味之间转换。现在，通过大量精确的实验，研究人员已经开始确定这些变色龙粒子的奇异特性。在此过程中，他们不仅推动了基础物理学前沿的发展，也为宇宙学和天体物理学提供了有价值的工具。事实上，接下来我们将转向天文学家如何利用中微子去探索宇宙中最大的爆炸。（全文完）

 安装过程中的SNO探测器。

本文选自《现代物理知识》2016年第5期