曹俊

盡管每秒有上萬億個(gè)中微子穿過人們的身體，但是人們很難發(fā)現(xiàn)它的蹤影。

宇宙誕生于138億年前。根據(jù)已知的物理規(guī)律，在宇宙早期，正反物質(zhì)應(yīng)該成對(duì)產(chǎn)生，是一樣多的。可是我們現(xiàn)在的宇宙中，并沒有發(fā)現(xiàn)大量反物質(zhì)存在的跡象。那么反物質(zhì)哪里去了？這是宇宙起源必須回答的關(guān)鍵問題。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是我們了解最少的粒子。我們知道，組成物質(zhì)世界的最基本的粒子共有12種，包括6種夸克和6種輕子。有三種輕子是中微子，分別是電子中微子、繆中微子和陶中微子。它們不構(gòu)成普通的物質(zhì)，但無處不在。宇宙誕生的第一秒就產(chǎn)生了無數(shù)的中微子并存留至今，在整個(gè)宇宙空間中均勻分布，每立方厘米有330個(gè)。連每個(gè)人也會(huì)因體內(nèi)的鉀-40衰變而每天發(fā)射約4億個(gè)中微子。

中微子最大的特點(diǎn)就是幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)。我們感覺不到它的存在，科學(xué)上探測(cè)也極為困難。1930年奧地利科學(xué)家泡利就預(yù)言了中微子的存在，但是過了整整26年，才由美國(guó)科學(xué)家科萬和雷因斯在核反應(yīng)堆旁探測(cè)到中微子。

地球上任何一塊指甲大小的地方，每秒鐘就有600億個(gè)太陽中微子穿過。但是，要想探測(cè)太陽中微子，“相當(dāng)于在整個(gè)撒哈拉沙漠中尋找一粒沙子”。1967年，美國(guó)科學(xué)家戴維斯在地下1500米深的廢棄金礦中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探測(cè)到了來自太陽的中微子。日本的小柴昌俊退休前幾周，他所在的神岡實(shí)驗(yàn)碰巧探測(cè)到了超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子，這也是迄今為止唯一的一次。小柴昌俊因而與戴維斯分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站安裝場(chǎng)景，4個(gè)110噸重的中微子探測(cè)器浸泡在2000噸純凈水中。研究人員正在向水池中注入純凈水。

很早就有人提出，假如中微子有微小的質(zhì)量，就可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。比如反應(yīng)堆產(chǎn)生電子反中微子，以接近光速飛離反應(yīng)堆后，開始變成另外兩種中微子，在2公里左右達(dá)到極大值，然后開始變回原來的中微子，像波一樣振蕩。這是一種在宏觀上表現(xiàn)出來的量子干涉現(xiàn)象。

2003年，我國(guó)科學(xué)家開始計(jì)劃利用大亞灣核電站發(fā)出的中微子，尋找大氣中微子和太陽中微子振蕩以外的第三種振蕩模式。該振蕩大小由參數(shù)θ13描述。上世紀(jì)九十年代的兩個(gè)反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)未能發(fā)現(xiàn)該振蕩，說明θ13很小。而它的大小與宇宙起源中的“反物質(zhì)消失之謎”相關(guān)，也決定未來中微子研究的發(fā)展方向，因此具有重要的科學(xué)意義。大亞灣的核電站共有6個(gè)反應(yīng)堆，總功率大，釋放的中微子多;附近有山，適合建立地下實(shí)驗(yàn)室，屏蔽宇宙線本底，因此具有地理優(yōu)勢(shì)。加上獨(dú)特的設(shè)計(jì)，大亞灣方案吸引了美、俄、捷以及港臺(tái)的科學(xué)家參加，其中美國(guó)提供了三分之一的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，是美國(guó)能源部在國(guó)外投資的第二大科研項(xiàng)目。

經(jīng)過8年的準(zhǔn)備和建設(shè)。2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中率先發(fā)現(xiàn)了這種新的振蕩，測(cè)到了相關(guān)的振蕩參數(shù)θ13，發(fā)現(xiàn)它雖然遠(yuǎn)小于大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩，但比最初估計(jì)的要大得多，這為未來的中微子研究打開了大門。

中微子研究已經(jīng)4次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但仍然存在很多謎團(tuán)。中微子振蕩現(xiàn)象間接證明了中微子有質(zhì)量，但我們至今也沒能測(cè)量到它的質(zhì)量大小，也不確定在理論上怎么描述，一般認(rèn)為中微子可能是粒子物理新理論的突破口。

背景簡(jiǎn)介：

2012年我國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩，入選美國(guó)《科學(xué)》雜志當(dāng)年十大科學(xué)突破，被授予2016年度“科學(xué)突破獎(jiǎng)”。江門中微子實(shí)驗(yàn)瞄準(zhǔn)下一個(gè)熱點(diǎn)前沿——中微子質(zhì)量順序問題，預(yù)期2020年建成。