劉聲遠(yuǎn)

為什么在穩(wěn)定地照亮黑暗宇宙數(shù)百萬年后，一顆超巨大的恒星——超巨星會突然在一陣超明亮（亮度超過1000億顆恒星發(fā)光的總和）中爆發(fā)？深空中有什么奇異天體，在以宇宙中已知最高的能量發(fā)射粒子？最令人困惑的問題或許是為什么宇宙會包含物質(zhì)？這些奧秘已經(jīng)困擾了天體物理學(xué)家和粒子物理學(xué)家數(shù)十年時間。破解這三大謎題的關(guān)鍵，其本身就是物理學(xué)中的最大謎題之一：中微子。

宇宙中充斥著令人匪夷所思、幾乎沒有質(zhì)量的亞原子微?！形⒆印Ｖ形⒆釉谟钪娲蟊ㄖ罅⒓匆詷O大數(shù)量源源不斷地產(chǎn)生，具體而言，是在恒星上以及其他地方由放射性衰變及其他多種反應(yīng)產(chǎn)生的。數(shù)萬億個（也可以說是數(shù)不清的）幽靈般的中微子穿越恒星和行星，其中也包括我們的地球。

中微子不帶電荷，不受質(zhì)子或電子吸引，因此也不與電磁場交互作用。在極小的尺度上，有一種強(qiáng)大的力量——強(qiáng)作用力——把原子核內(nèi)部的質(zhì)子和中子結(jié)合在一起。但強(qiáng)作用力奈何不了中微子。中微子比超級模特還高傲，它們很少與同類或宇宙中的其他任何東西互動。有點矛盾的是，正是中微子的這種“崇尚自由”的特質(zhì)，讓它們無論是在宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)還是在揭示宇宙的一些最大奧秘方面，都充當(dāng)了重要角色。

中微子物理學(xué)正進(jìn)入黃金時代。作為一項實驗的一部分，中微子最近為洞察深空中的高能量源（例如以數(shù)萬億千米長的束流噴射粒子的黑洞）打開了一扇窗戶（請參見：《“冰棒望遠(yuǎn)鏡”》）。另一項在很深的地下隧道中進(jìn)行的天文學(xué)實驗，將使用中微子來探索遠(yuǎn)古超新星的平均溫度和能量水平，以及更好地了解它們的典型行為。物理學(xué)家正在運(yùn)用計算機(jī)模型，步步逼近中微子在激發(fā)一種超新星（它們負(fù)責(zé)擴(kuò)散氧和氮等元素）方面的關(guān)鍵作用（請參見：《觀測恒星》）。

除了擴(kuò)展中微子在天文學(xué)和天體物理學(xué)中的作用之外，物理學(xué)家也在試圖弄清中微子的一些基本特性。例如，有些研究者希望查明中微子可能具有的3種不同的質(zhì)量（請參見：《中微子之謎》）。這一基本信息可能會影響解釋其他粒子質(zhì)量的理論。

在宇宙破曉時期，對于每一個物質(zhì)粒子（例如電子）來說，都會有一個反電子；對于每一個夸克（理論上一種比原子更小的基本粒子）來說，都有一個反夸克。當(dāng)這些相反的粒子相遇時，它們應(yīng)該會互相湮滅，創(chuàng)生純粹的能量。通過決定中微子的另一個令人難以捉摸的基本特性，科學(xué)家希望回答理論物理學(xué)中最大的疑問之一：為什么宇宙大爆炸產(chǎn)生的所有物質(zhì)和反物質(zhì)并不相互湮滅？

為什么會有物質(zhì)留下來？最可能的解釋依賴于一種理論：今天幾乎沒有質(zhì)量的中微子，曾經(jīng)有過超重的伙伴。這些質(zhì)量超過質(zhì)子100萬億倍的中微子的近親——超重中微子，是由剛好在大爆炸之后存在的極大熱量中形成的。它們擁有特殊的“雌雄同體”能力，既能衰減成物質(zhì)，也能衰減成反物質(zhì)。例如，一個這樣的超重粒子或許會衰減為一個中微子再加某個其他粒子——例如電子，而另一個超重粒子則可能衰減成一個反中微子和另一其他某個粒子。

為了讓這種理論也能解釋為什么會有物質(zhì)存在，這些超重中微子衰減成粒子的速度就不得不快于衰減成反粒子的速度。利用中微子探測器進(jìn)行研究的物理學(xué)家，除了想查明中微子的質(zhì)量之外，也在研究今天更輕質(zhì)的中微子從一種類型轉(zhuǎn)換為另一種類型的速度是否不同于反中微子?？赡芙忉尳裉燧p質(zhì)中微子這種行為的理論，或許也能解釋宇宙之初超重中微子的傾向性。如果超重中微子理論是正確的，那么這些原始的超重粒子就是“超級祖先”——宇宙中的每個粒子都是它們的后代。

與中微子有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)贏得了3項諾貝爾獎。而正在進(jìn)行的這方面更具開創(chuàng)性的實驗，將可能奪得更多的諾貝爾獎?？此茻o足輕重而又多余的中微子，在我們認(rèn)識宇宙方面的作用或許卻是分量最重和必不可少的。

“冰棒望遠(yuǎn)鏡”來了

位于南極洲的粒子探測器

希望探測中微子的科學(xué)家，必須把探測器建在很深的地下或水下，以過濾持續(xù)轟擊地球的宇宙射線。但不管物質(zhì)密度多大，中微子都能穿越。早在幾十年前，美國威斯康星-麥迪遜大學(xué)的物理學(xué)家弗蘭西斯·哈爾森就意識到，南極洲是探測中微子的一個理想地點，因為這里的冰很厚，足以把數(shù)千個光傳感器埋在冰下1600米處甚至更深的地方。

當(dāng)一個中微子偶然撞上冰中的一個原子核，就會產(chǎn)生一個電子或μ介子（電子的一個更重的近親），在此過程中釋放微光。位于南極洲的一部地下望遠(yuǎn)鏡兼粒子探測器——“冰棒”（上圖）能捕捉到這種微光。哈爾森是參與“冰棒”探測計劃的近250名科學(xué)家之一。

這些科學(xué)家在2012年5月發(fā)現(xiàn)了兩個中微子的光跡，它們的能量竟然高出此前在地球上探測到的任何中微子能量的1000倍。在把它們分別命名為“伯特”和“歐尼”之后，對其能量將信將疑的科學(xué)家們再度檢查了它們的能量水平的數(shù)據(jù)，結(jié)果又發(fā)現(xiàn)了26個高能中微子。當(dāng)科學(xué)家檢驗直到2013年5月的數(shù)據(jù)后，他們發(fā)現(xiàn)了9個更高能量的中微子，其中有一個的能量是“伯特”和“歐尼”的能量之和。于是，科學(xué)家把它命名為“大鳥”。

有些中微子幾乎可以肯定來自于我們所在的銀河系以外，它們或許有助于破解一個已有百年歷史的難題：超高能宇宙射線的源頭在哪里？科學(xué)家相信，這個源頭也產(chǎn)生高能中微子。一些看似可能的源頭是：噴發(fā)物質(zhì)射流的超大質(zhì)量黑洞，碰撞的星系，或者“生產(chǎn)恒星的工廠”——星爆星系。

美國俄亥俄州大學(xué)物理學(xué)家約翰·比科姆評價說：“‘冰棒’正在打開宇宙的一扇窗戶。所有這些年來，我們一直在利用光線（并不只是可見光）研究天文學(xué)，這樣的研究實際上很不完整?！?/p>

中微子之謎

游歷亞原子的奇異世界

形態(tài)變化

中微子是出了名的“變形人”。每個中微子出生時都是3種類型之一（電子中微子、μ介子中微子和t介子中微子），但在旅途中，它們可在幾千分之一秒的時間內(nèi)改變類型，就好像它們尚未決定讓自己變成什么類型。和其他亞原子微粒一樣，有時候中微子的行為也像是波。但隨著中微子旅行，這種“類型波”以不同方式組合。有時候，這種組合形成的是一個電子中微子（Ve）；也有時候，這種組合形成的是一個μ介子中微子（Vμ）。因為中微子是量子粒子，所以從定義上說它們本身就很奇異——它們不是一次只屬于一種類型，而是屬于3種類型的組合。在非常罕見的情況下，中微子會與另一個粒子互動。如果這個反應(yīng)看來產(chǎn)生了一個電子，那么中微子在自己的最后時刻就屬于電子類型；如果產(chǎn)生的是一個μ介子，那么中微子就是μ介子類型。如此看來，中微子的身份危機(jī)只有在它最終與另一個粒子互動時才能解決。

重量級競賽

科學(xué)家希望利用中微子的奇異變形行為來解開多個奧秘。他們已經(jīng)知道其他每一種基本粒子（例如電子）的質(zhì)量，但中微子的質(zhì)量充其量只有電子的百萬分之一，再加之中微子的類型轉(zhuǎn)換方式，所以它們讓人很難捉摸。

一旦確定中微子的質(zhì)量，就無疑會影響有關(guān)粒子和力怎樣相互作用的基本理論（即所謂的粒子物理基本模型）。物理學(xué)家已經(jīng)知道這一理論是不完整的，因為它錯誤地預(yù)測中微子沒有質(zhì)量。美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家威廉·路易斯評價說：“如果能確定中微子的質(zhì)量，就可能有助于了解所有粒子的質(zhì)量背后的理由。這就相當(dāng)于，只有把所有拼圖都找到了，拼圖游戲才會更容易玩?！?/p>

想要確定中微子的質(zhì)量，難點在于量子物理學(xué)的一個根基——海森堡不確定性原則。這個原則指出，亞原子微粒的某些特性相互關(guān)聯(lián)，以至于對一個特性的了解越準(zhǔn)確，對另一個特性的了解就越不準(zhǔn)確。例如，如果確知一個微粒所在位置，就無法知道它的動量。而一旦確知一個粒子的動量，就不可能確知它所在位置。美國印第安納大學(xué)物理學(xué)家馬克·梅西爾指出，中微子的類型和質(zhì)量以一種類似方式關(guān)聯(lián)在一起，也就是說，不可能同時確知兩者。他說：“我們總是測量某種質(zhì)量組合。如果要問中微子的一個單一類型的質(zhì)量多大，那其實是沒有意義的?！?/p>

科學(xué)家們知道，每個中微子的質(zhì)量都是3種質(zhì)量的組合。但如果不進(jìn)行測量，他們就不可能知道這個組合究竟是什么。梅西爾說，其中兩個質(zhì)量在大部分時間里很可能屬于電子中微子，另一個質(zhì)量有可能屬于電子中微子，卻也可能不是。但是否如此，仍不清楚?？茖W(xué)家們也不確定：3種質(zhì)量中最大或最重的，是否最可能屬于一個電子中微子，還是最不可能屬于一個電子中微子？

當(dāng)“左撇子”變成“右撇子”

所有物質(zhì)都有一個鏡像，叫作反物質(zhì)。對一個帶負(fù)電的電子來說，它的反物質(zhì)孿生兄弟——正電子與它完全一樣，只是正電子帶正電。如果物質(zhì)與反物質(zhì)相遇，它們就會在能量爆發(fā)中互相毀滅對方。

對中微子的3種類型中的每一種而言，也都有對應(yīng)的反中微子，分別是電子反中微子、μ介子反中微子和t介子反中微子。由于中微子是中性的，因此它們的反粒子不可能具有相反電荷，但它們的“自旋”方向相反。請注意，中微子太渺小，不會像行星那樣真的自轉(zhuǎn)?！白孕敝傅氖且环N在某些方面相當(dāng)于自轉(zhuǎn)的特性。中微子是“左撇子”，總是相對于自己的運(yùn)動方向左旋。反中微子則是“右撇子”。一位意大利理論學(xué)家指出，正因為中微子是中性的，所以它們可能是自己的反粒子，也就是說，在某些情況下，中微子的行為可能像反中微子。如果這個說法正確，就能滿足“超級祖先中微子理論”（它解釋我們及宇宙中所有物質(zhì)為何能存在）的一個必要條件。

碎裂的鏡子？

如果把物理學(xué)法則應(yīng)用于反物質(zhì)，一切結(jié)果都相同，只不過要反向。一個磁場會以完全相同的力量推動一個電子和一個正電子。如果電子被往右推，正電子就被往左推。物理學(xué)家希望中微子不一定要遵循這種鏡像效應(yīng)，這樣一來，中微子就會再度成為“另類”，能夠幫助我們對自然有一種新的認(rèn)識。

在美國和日本進(jìn)行的相關(guān)實驗中，科學(xué)家們希望確定中微子變形為其他類型的速度是否不同于反中微子的變形速度。例如，物理學(xué)家們不愿意說電子中微子轉(zhuǎn)變成μ介子中微子的概率是10%，而是寧可這樣問：電子中微子轉(zhuǎn)化為μ介子中微子的可能性是否更低？他們觀察到一些其他粒子存在這類“不對稱”行為，從而有人預(yù)測中微子也有這樣的行為。

如果中微子轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷乃俣扔袆e于反中微子，那么這種體現(xiàn)在中微子身上的物質(zhì)與反物質(zhì)差異，也存在于時間之初的它們的超重祖先身上。

觀測恒星

大質(zhì)量恒星為何會爆發(fā)性死亡？一位天體物理學(xué)家試圖把它歸咎于中微子。

在宇宙中的某些地方，每秒鐘至少有一顆大質(zhì)量恒星以超新星的形式開始經(jīng)歷死亡過程——以整個星系中全部恒星的亮度之和，把自己炸得粉身碎骨。在經(jīng)過50年的調(diào)查后，天文學(xué)家仍不清楚超新星發(fā)生的確切原因。但德國天體物理學(xué)家漢斯·詹卡認(rèn)為，這個奧秘中的一個主要元兇顯然是中微子。

詹卡就職于慕尼黑的馬克斯·普朗克研究院，研究方向是天體物理學(xué)。他利用全球最強(qiáng)大的數(shù)十臺計算機(jī)，花了幾十年時間來探究超新星背后令人難以置信的復(fù)雜機(jī)制。計算機(jī)處理能力和物理學(xué)的進(jìn)步，幫助他建立了一些非常復(fù)雜的模型，它們不僅能模擬恒星形態(tài)的種種細(xì)節(jié)，而且同時考慮到從恒星旋轉(zhuǎn)和核反應(yīng)到愛因斯坦引力理論的所有相關(guān)情況?，F(xiàn)在，詹卡最新研發(fā)的多個模型首次全面描述了在恒星烈焰暴亡景況下的中微子行為。

1982年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家詹姆斯·威爾遜首次嘗試解釋中微子激發(fā)超新星爆發(fā)的可能機(jī)制。他知道，在一顆大質(zhì)量恒星大約經(jīng)過1000萬年時間而燒盡自己的燃料時，它的內(nèi)核就會迅猛內(nèi)爆，把所有恒星物質(zhì)向內(nèi)推。接著，內(nèi)爆開始轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N爆發(fā)，形成沖擊波。但在幾千分之一秒的時間內(nèi)，爆發(fā)全然終止。然后，“某種東西”造成沖擊波，讓爆發(fā)再度開始，最終留下一顆致密的中子星。

威爾遜通過基本的計算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，這個“某種東西”就是中微子。當(dāng)恒星內(nèi)核中的電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子時，會產(chǎn)生超巨量的中微子，其數(shù)量級為1的后面跟58個0。由于這些中子排列非常緊密，1茶匙的中子就重達(dá)1億噸，所以中微子會被困在那里，四處跳躍，與其他粒子（大多數(shù)是中子，但也有質(zhì)子和電子）反應(yīng)數(shù)萬億次。中微子被滯留在星核中的時間只有一秒鐘，但威爾遜相信，在此過程中產(chǎn)生的熱量足以引起超新星爆發(fā)。受限于當(dāng)時的計算機(jī)能力和物理學(xué)水平，威爾遜研發(fā)的模型相對簡單化，例如把恒星視為一個完美的圓球，而且對非常致密物質(zhì)的行為和中微子怎樣從恒星核轉(zhuǎn)移到中子星外層（沖擊波加熱的發(fā)生處）做出錯誤的假設(shè)。最終，威爾遜的模擬沒有成功。

詹卡在威爾遜的這一模擬失敗4年后得知了它，當(dāng)時詹卡是慕尼黑技術(shù)大學(xué)的一名研究生。他認(rèn)為威爾遜的理論看似行得通，但他研發(fā)了一種新的方式來描述超新星的中微子物理學(xué)。他之所以能進(jìn)行這項研發(fā)，一個有利因素是能借助馬克斯·普朗克研究院新近獲得的多部超級計算機(jī)，而在整個歐洲有如此機(jī)會的地方卻不多。詹卡馬不停蹄地工作，但與此同時他也有一種揮之不去的擔(dān)憂：在當(dāng)時做這方面研究的人可謂寥寥，而他是其中一員，所以詹卡不得不考慮自己讀完博士學(xué)位（到時候他將是30多歲）之后好不好找工作。

但老天眷顧了他。1987年，自1604年以來首次裸眼可見的超新星出現(xiàn)在距離地球最近的星系——大麥哲倫云。在這次超新星發(fā)射的數(shù)萬億個中微子當(dāng)中，由地球上的探測器捕捉到的有24個。這讓中微子研究陡然榮升粒子天體物理學(xué)的一個新領(lǐng)域。詹卡說，這不僅導(dǎo)致一項大型的中微子天體物理學(xué)研究計劃在慕尼黑啟動，而且讓他本人獲得了永久性職位。

1987年的超新星證實了一個基本圖景：大質(zhì)量恒星的坍縮星核噴發(fā)超巨量中微子。詹卡立即開始構(gòu)建計算機(jī)模型，但與威爾遜一樣，他也不得不假定恒星是圓球——這是由計算機(jī)能力的高昂代價所限定的一種過度簡單化。當(dāng)詹卡運(yùn)行這些模型時，恒星沒有爆發(fā)。在接下來的10年里，他與馬克斯·普朗克研究院的同事、天體物理學(xué)家埃瓦爾德·穆勒合作創(chuàng)建復(fù)雜模型。他們在模型中加入了中微子怎樣交互以及怎樣逃逸出坍縮的恒星核等細(xì)節(jié)。

2005年，詹卡為一個更精確描繪恒星形狀的模型研發(fā)了更復(fù)雜的編碼，但它仍然是一種近似。在這個被稱為“二維型”的模型中，詹卡優(yōu)化了與恒星的其他物質(zhì)流動相關(guān)聯(lián)的中微子移動物理過程，但他缺乏超級計算機(jī)的使用機(jī)會來測試這個模型。到了2006年，幸運(yùn)再度降臨。馬克斯·普朗克研究院的執(zhí)行院長問詹卡：如果有70萬歐元（當(dāng)時相當(dāng)于87.5萬美元），你會拿它做什么？在詹卡建議下，該院購買了一些當(dāng)時速度最快的處理器。在接下來的3年時間里，這些計算機(jī)被用來連續(xù)進(jìn)行詹卡所希望的模擬研究，尤其是研究“1秒鐘演化”——從超新星內(nèi)核坍塌到中子星形成后750毫秒期間的情況。這項研究最終形成了有關(guān)巨恒星死亡的首個復(fù)雜二維模型。更重要的是，這一次，模型中的恒星爆發(fā)了。

詹卡團(tuán)隊研發(fā)出了高度復(fù)雜的物理學(xué)等式組，描述中微子互動以及恒星氣體怎樣流動和形成泡泡，從而把威爾遜的理論轉(zhuǎn)化為具象得多、也復(fù)雜得多的模擬。但因為詹卡簡化了恒星的形態(tài)，所以他新研發(fā)的三維模型也沒能破解整個奧秘。目前，詹卡團(tuán)隊正在把在中微子互動研究中獲得的成果融入到新的、也更高端的模型中，這些模型不再把恒星形態(tài)理想化。巴黎和慕尼黑各有一部巨型超級計算機(jī)供詹卡在部分時間里使用，它們的能力相當(dāng)于3.2萬個工作站。合起來，它們每秒能執(zhí)行超過100萬億次運(yùn)算。但詹卡發(fā)現(xiàn)，這仍然達(dá)不到他所希望的計算能力。這些三維模型依然處在嬰兒期，在模擬中，恒星也沒有爆發(fā)。最近，詹卡團(tuán)隊獲得一項為期5年、總金額400萬美元的專項撥款，目的是讓三維模型的分辨率更高，以及能在時間上向前或向后地進(jìn)行模擬，并且把模型與觀測到的超新星殘余聯(lián)系起來。

美國加州大學(xué)的超新星研究先鋒斯坦福德·伍斯里評價說，詹卡正在這個具有高度競爭性的領(lǐng)域中做著領(lǐng)先的工作。他透露，美國普林斯頓大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室的團(tuán)隊也在緊鑼密鼓地開展這方面研究。誰能獲得15倍太陽質(zhì)量恒星（即質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量15倍的一顆恒星）以合適的能量爆發(fā)的三維模式，誰就是勝者，因為這種質(zhì)量的恒星能合成對于生命（生物）來說很重要的元素。這正是探索中微子之謎的最大誘惑。詹卡說，不管是我們呼吸的氧、血液中的鐵、植物的碳還是沙子的硅，所有組成你我他和地球的物質(zhì)都是由超新星制造并分配的。我們都是恒星之子，鑄造我們的物質(zhì)是在數(shù)十萬光年外的一次巨型爆發(fā)中創(chuàng)制的。在這樣的爆發(fā)中，一種沉默無語的幽靈粒子——中微子，最終猛烈地讓我們感受到了它的存在。

雙重麻煩

致力于捕捉罕見的互動

世界各地正在開展多項旨在捕捉中微子的大型實驗，而這種捕捉必須在中微子并不現(xiàn)身的情況下實現(xiàn)，其難度可想而知。在一種放射性形變——單一貝塔衰變中，一個不穩(wěn)定原子的原子核中的中子（一種中性粒子）自發(fā)地變成質(zhì)子（一種正粒子），釋放一個電子和一個反中微子。

在雙貝塔衰變中，這種反應(yīng)（互動）是雙重的：兩個中子同時衰變成兩個質(zhì)子。但一些物理學(xué)家相信，這不一定會產(chǎn)生兩個電子和兩個反中微子。在某些情況下，不會產(chǎn)生反中微子。這只有在中微子是自己的反粒子的條件下才可能，而在此條件下，中子釋放反中微子，然后，轉(zhuǎn)眼間，反中微子就被作為中微子而被中子吸收。

盡管中微子的雙重反身份的發(fā)現(xiàn)在許多物理學(xué)家的預(yù)料之中，它卻與粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型（現(xiàn)行對粒子與基本作用力行為方式的主流認(rèn)識）相矛盾，從而可能帶來一種對傳統(tǒng)范例模式的顛覆。如果一個不穩(wěn)定原子的衰減產(chǎn)生兩個電子，但不產(chǎn)生反中微子，那么物理學(xué)家就將為這種奇特而又古怪的行為找到?jīng)Q定性的證據(jù)。在美國新墨西哥州進(jìn)行的“富氙天文臺 200”實驗，以及在日本和歐洲進(jìn)行的同類實驗，正試圖捕捉這種奇妙而又罕見的反應(yīng)。事實上，科學(xué)家們長期以來一直試圖發(fā)現(xiàn)這種重要的衰減。

古恒星爆發(fā)與新生黑洞

S-K探測器（日本）

自1996年起，建造于一座鋅礦中的日本S-K探測器一直在一箱5萬噸的超純水中尋找中微子的跡象——微型閃光。當(dāng)來自超新星的一個低能量中微子或反中微子與水箱中的一個水分子碰撞時，產(chǎn)生的光信號被1.3萬只光電倍增管中的大約100只記錄下來。光電倍增管是超靈敏的光探測裝置，它把微量閃光轉(zhuǎn)化成可被記錄的較大的電活動。但有時候，假的正信號會出現(xiàn)：探測器中的放射性衰減也會產(chǎn)生光，正如大氣層中產(chǎn)生的中微子在與水分子碰撞時會產(chǎn)生光。

現(xiàn)在，在S-K探測站工作的科學(xué)家們計劃采用一種方法來消除假的正信號。這種方法由兩名美國物理學(xué)家研發(fā)，它聚焦的是由超新星產(chǎn)生的反中微子?？茖W(xué)家們將在50噸超純水中添加一種罕見的土壤金屬元素——釓（符號Gd音 ga），讓這些水能區(qū)分自己是與反中微子相遇了還是被發(fā)光的假冒者給騙了。

當(dāng)一個反中微子敲入S-K探測器水中的一個質(zhì)子時，質(zhì)子會變成中子，并且立即發(fā)射一個帶正電的粒子，這個粒子在迅速穿越水的過程中發(fā)藍(lán)光。釓能在中子產(chǎn)生大約20毫秒后捕捉它，讓它成為自己的原子核，并立即引發(fā)伽馬射線爆發(fā)。光電倍增管能捕捉全過程。沒有其他粒子交互能產(chǎn)生這種“1-2型心跳”。這兩次“心跳”發(fā)出的光（不一定是可見光）揭示了兩件事：第一次閃光表明反中微子的能力；第二次光則證實這個粒子是反中微子。

目前，S-K探測器已具備探測來自銀河系中任何地方的超新星爆發(fā)的中微子的能力。添加釓將讓這部探測器的靈敏度大大提升，從而能讓它開始采集已知宇宙中一半范圍內(nèi)任何地方的超新星發(fā)出的反中微子，其中包括在數(shù)十億年前大質(zhì)量恒星爆發(fā)中產(chǎn)生的低能量和難以探測到的反中微子。添加釓還能讓科學(xué)家確定一次典型超新星的溫度和總能量，而這兩者在所有類別的宇宙學(xué)和恒星演化模型中都不可或缺。

添加了釓的探測器有望在2017年全面投入使用。它可能會捕捉到黑洞在恒星爆發(fā)后的殘余中誕生的跡象。中微子無法從黑洞逃逸，而添加釓的S-K探測器將能探測到中微子流突然關(guān)閉的跡象。有了釓，S-K探測器就能觀測恒星核初始坍縮幾分鐘后或幾小時后的情況，而沒有釓的話，這個時間僅限于10秒左右。

高高在上

“安妮塔”

由氣球搭載的“安妮塔”（全稱是“南極瞬態(tài)脈沖天線”。上圖）已經(jīng)在2014年年末升空。它試圖探測宇宙中最高能量的中微子。這些中微子被認(rèn)為源自超高能宇宙射線。這些射線與大爆炸后剩下的、如今依然充滿宇宙的低能量不可見光子相撞時，就產(chǎn)生最高能量的中微子。

是什么現(xiàn)象在創(chuàng)生并發(fā)射這些中微子的宇宙射線源頭呢？也許是超級新星（科學(xué)家們戲稱其為“吃了興奮劑的超新星”），也可能是迅速自旋的黑洞，但更可能是超大質(zhì)量黑洞。由美國宇航局贊助的“安妮塔”最終會升至南極冰冠上空3.5萬米高度。在環(huán)繞南極的過程中，“安妮塔”的天線能一次性掃描100萬立方千米的空間，尋找超高能中微子擊中冰原子核時發(fā)射的無線電波。順便提一句，現(xiàn)在已經(jīng)是“安妮塔”的第3次旅行了。

很有分量的諸多問題

“諾瓦”實驗（美國）

2013年，美國物理學(xué)家開始以每秒150萬億個中微子的速度，從美國芝加哥以西的費(fèi)米國家實驗室向美國明尼蘇達(dá)州的一部探測器發(fā)射中微子。這趟距離為810千米的地下旅行，費(fèi)時僅僅2.7毫秒。

這項實驗的正規(guī)名稱是“魯米軸偏離電子中微子外相實驗”，簡稱“諾瓦”。這項任務(wù)依賴的是一部1.54萬噸級別的探測器，它包含1.14萬立方米的水溶液和一種被稱為“閃爍體”的材料?！伴W爍體”吸收入射粒子的能量，并且以光的形式發(fā)射能量。在費(fèi)米實驗室發(fā)射的超大量中微子當(dāng)中，每周只有大約10個中微子與“閃爍體”交互。但這個結(jié)果很重要，因為它是一種光的指針，能揭示中微子的類型和能量。

在過去13年里，超過200位科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員幫助設(shè)計和建造費(fèi)米實驗室的這一旗艦項目。美國印第安納州大學(xué)物理學(xué)家馬克·梅西爾是“諾瓦”計劃的領(lǐng)導(dǎo)者之一。他說，“諾瓦”在揭示中微子的新特性方面很可能邁出下一個大步伐。“諾瓦”的目標(biāo)之一是幫助查明中微子類型3種組合中的哪一個最重，哪一個最輕，即所謂的質(zhì)量序列問題。質(zhì)量是中微子的一個基本卻又神秘的特性，它影響著眾多的物理學(xué)理論，原因是中微子的質(zhì)量來源依然不明。

“諾瓦”項目中的中微子一開始是μ介子類型，但它們接著就啟動了轉(zhuǎn)化為電子中微子的典型過程。電子中微子之所以特殊，是因為它們能與地球交互：它們能與原子中的電子單獨(dú)進(jìn)行有意義的互動。“諾瓦”實驗的關(guān)鍵在于，電子中微子類型的質(zhì)量越大，它們就越可能與810千米旅途中遇到的物質(zhì)交互。梅西爾解釋說，因為地球電子能“拖曳”電子中微子，實際上這就賦予了電子中微子一些附加的質(zhì)量。

這種效應(yīng)決定著中微子的變形速度。如果電子中微子傾向于擁有最輕的質(zhì)量組合，這種來自于它們與地球互動的附加重量就會讓它們轉(zhuǎn)變成μ介子中微子的速度更快，這是由于它們能“混合”或“重疊”μ介子的質(zhì)量（實際上是指這些粒子的波粒二象性）。另一方面，如果電子中微子包含最重的質(zhì)量，那么附加的由地球誘導(dǎo)的質(zhì)量就會讓它們較少地與其他兩種類型的中微子混合。

“諾瓦”團(tuán)隊正在用反中微子做實驗。梅西爾說，反中微子提供了一種寶貴的對比?；蛟S這一實驗會給出一些提示，即中微子與反中微子的變形速度是否不同。不過，這又是一個雖然不同尋常、但也并非完全出乎預(yù)料的中微子特性。

中微子金獎

1988年 美國物理學(xué)家利昂·萊德曼、梅爾文·舒瓦茨和杰克·斯坦伯格贏得諾貝爾物理學(xué)獎，理由是他們研發(fā)了一種在粒子對撞機(jī)中產(chǎn)生中微子束的方法，并且還發(fā)現(xiàn)了μ介子中微子。

1995年 美國物理學(xué)家弗雷德里克·雷因斯奪得一項諾貝爾獎，原因是他從1953年的一項被戲稱為“幽靈”的實驗中首次探測到中微子。雷因斯的合作者克萊德·科萬已在此之前21年離世。

2002年 美國物理學(xué)家雷·戴維斯被授予諾貝爾獎。他使用埋于美國南達(dá)科他州地下、裝著600噸干洗液的箱子，探測到了來自太陽的中微子。與戴維斯分享這個獎項者是日本的小昌柴俊，他使用日本的探測器證實了戴維斯的探測結(jié)果，并且捕捉到了來自附近星系中超新星爆發(fā)的中微子。