记者探营大亚湾:“鬼粒子”第三种振荡现身记

大亚湾反应堆中微子实验试图破解宇宙中“反物质消失之谜”。图为两个直径5米、高5米的中微子探测器。

　　中微子振荡

　　假设在2010年南非世界杯比赛中，运动员将当年世界杯专用球“普天同庆”射入球门，随后却发现这个球变成2006年德国世界杯专用球“团队之星”，因此进球被判无效。这种现实生活中无法实现的笑谈，却在中微子的“生存环境”中时时刻刻地真实上演。

　　美国科幻灾难电影《2012》描述了地球末日降临的景象：地震、火山爆发和超级海啸一起发作，将都市像玩具一样搅成碎片，而人类则像蚂蚁一般被毁灭。在电影编剧的构想下，“引发这一切的罪魁祸首是太阳突然开始释放出大量的中微子，地核被熔化，导致灾难迭发。”

　　电影中描绘灾难的逼真场景，令人们惊恐万分，导致美国宇航局（NASA）不得不出面辟谣：科学家们认为这种可能性等于零。

　　的确，中微子虽然无处不在，甚至每时每刻都有成千上万的中微子穿过人类的身体，却如此神秘，谁也不能看见或感觉到它们的存在。

　　3月8日，大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布，合作组发现了一种新的中微子振荡――即第三种振荡模式。这一发现轰动全球科学界。

　　距发布会3个月后，南方日报记者随着王贻芳所长，穿过3公里的山底隧道，探营这个由中美等多个国家和地区投资约2亿多元，集结200多位科学家联合进行的国际实验项目。

　　这里深藏着建立了3个地下实验厅，放置在巨大的水池中的6个中微子探测器，各110吨重，并被层层罐子套着。科学家形象地形容：“就像俄罗斯套娃一样，不过每一层之间都有液体隔着，以减少杂质干扰。”

　　实验项目副经理曹俊研究员告诉南方日报记者，成果公布3个月以来，实验又有新进展，实验研究人员将所测中微子振荡数据的精度提高了2.5倍。“新的发现帮助中微子研究者迈过了一道门槛，向破解反物质之谜靠近。”曹俊说。

　　捕捉“幽灵”

　　中微子的发现过程非常曲折，全球众多物理学家致力于让这种神秘的“幽灵”现身，足足用了26年

　　中微子到底是什么东西，认识它有多重要？这从中微子研究与诺贝尔奖的归属中可见一斑。

　　1956年，美国的弗雷德里克・莱因斯在实验中观测到中微子，因此获1995年诺贝尔奖。

　　1962年，美国的莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子――缪中微子，获1988年诺贝尔奖。

　　1968年，美国的戴维斯发现“太阳中微子失踪之谜”，获2002年诺贝尔奖。

　　1987年，日本超级神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子，超级神岗实验项目主持人小柴昌俊获2002年诺贝尔奖。

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一位美国科研人员在广东大亚湾反应堆中微子实验站装配大厅内查验数据。

　　中微子研究者似乎是离诺贝尔奖最近的科学家群体之一。但追溯中微子的发现过程却非常曲折，从预测这种神秘粒子存在到发现它足足用了26年。

　　“宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸，在第一秒钟就产生了无穷多的中微子，它们一直存留到现在。地球上指甲盖大小的地方，每秒钟就会落下10万亿个宇宙大爆炸残留的中微子。”曹俊说。

　　早在1930年，奥地利物理学家泡利为了解释贝塔衰变中能量不守恒现象，提出可能存在一种看不见摸不着的粒子，“偷走了”能量。这种粒子不带电，没有质量，几乎不与物质发生相互作用，因此捕捉不到它。

　　但由于谁也没有见到中微子，泡利的假说始终蒙着一层迷雾，就连他自己都说：“天啊!我预言了一种永远找不到的粒子。”中微子也因此曾被称作“鬼粒子”、“幽灵粒子”。

　　此后，全球众多物理学家致力于让这种神秘的“幽灵”现身。

　　我国著名物理学家王淦昌便是其中之一。在泡利提出中微子假说时，王淦昌正在德国柏林大学读研究生。1941年，在一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章中，王淦昌提出以“K电子俘获”的方法验证中微子的存在。

　　1942年6月，美国物理学家艾伦根据王淦昌提出的方案进行实验，果然证实了中微子的存在，成为轰动全球物理学界的大事件。

　　中微子的存在被证实后，科学家下一步的工作就是测量中微子与质子相互作用引起的反应，进而直接探测中微子的活动规律。“由于中微子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。”曹俊说。

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　　直到1956年，这项试验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。最终，在泡利提出中微子假说以后的26年，人们第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。

　　如今，中微子的“出身”、“家庭成员”和“性格”已经基本清楚。

　　中微子是构成物质世界最基本的粒子之一，也可以说是构造世上万物的基本砖块之一，其在宇宙中的数量惊人，平均每立方厘米就有上百亿个。它们在12种粒子中占了三种，即电子中微子、缪中微子和陶中微子。

　　飞行“变脸”

　　一种中微子能够在飞行中变成另一种中微子，然后再变回来，太阳和大气中微子因此“丢失”

　　随着中微子研究的深入，有两个特殊现象引起科学家们越来越多的关注，即“太阳中微子失踪之谜”和“大气中微子反常。”

　　“所谓太阳中微子失踪，是指实验观测到的太阳中微子数量远少于预期。”曹俊说，50多年前，美国科学家雷蒙德·戴维斯在地下1500米的一个废旧金矿，寻找来自太阳的中微子。“之所以去这么深的地底下，是为了屏蔽地面上宇宙线对实验的干扰。”曹俊解释。

　　戴维斯发现了一个奇怪的现象：太阳中微子的数量只有预期的1/3。其它的中微子到哪里去了?这个问题困扰科学家数十年，被称为“太阳中微子失踪之谜”。

　　有关中微子的另一个谜团，是从上世纪80年代起，科学家发现大气中微子似乎也比预期中要少，“在宇宙中，有很多能量非常高的宇宙射线，它们进入 地球的大气层后，会打出中微子，称为大气中微子。然而科学家发现它们的数量也低于预期，这因此称为‘大气中微子反常’。”曹俊说。

　　全球粒子物理学家为揭开这两个谜团进行了不懈努力。终于在1998年，日本的超级神岗实验以确凿的证据，证明中微子存在振荡现象。

　　所谓中微子振荡，是指一种中微子能够在飞行中变成另一种中微子，然后再变回来。太阳中微子和大气中微子的“丢失”，都是因为它们变成了其它种类的中微子。

　　科普网站“科学松鼠会”如此比喻中微子“振荡”：假设在2010年南非世界杯比赛中，运动员将当年世界杯专用球“普天同庆”射入球门，随后却发 现这个球变成2006年德国世界杯专用球“团队之星”，因此进球被判无效。这种现实生活中无法实现的笑谈，却在中微子的“生存环境”中时时刻刻地上演。

　　坚持不懈的戴维斯用了30年的时间，终于发现了太阳中微子振荡，解开其“失踪”之谜。

　　根据中微子振荡理论，大气中微子振荡和太阳中微子振荡分别对应着两个中微子混合角23和12。但科学家研究发现，理论上还存在第三种振荡模式，即反应堆中微子振荡，对应中微子混合角13。

　　“这个振荡小得多，一直没有找到，但是它关系到中微子物理的未来发展，也跟认识的宇宙起源相关，比如推测到宇宙大爆炸的时间。”曹俊说。

　　第三种振荡引起了科学界的极大关注，多国为此开展实验。

　　大亚湾“突破”

　　反物质消失很可能与中微子振荡有关，同时这也为解开宇宙大爆炸之谜打开了一扇门

　　寻找第三种振荡成为中微子研究热点。曾在全球引起轩然大波的“中微子超光速”乌龙事件，当事方是意大利国家实验室下属奥佩拉实验小组，其初衷同样是为了寻找第三种振荡。该小组于今年5月宣布撤销超光速结论，承认是实验误差所致。

　　2003年前后，国际上有7个国家提出了8个有关中微子震荡的实验方案，最终进入建设阶段的共有3个：中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。其中，大亚湾实验方案吸引了最多的关注。

　　“大亚湾有着独特的优势，其地形特点特别便利于这项科学研究。”中科院高能所的刘丽冰研究员是该项目建设办主任。

　　刘丽冰介绍，因为核反应堆附近的中微子特别多，大亚湾紧邻世界上最大核反应堆群之一的大亚湾核电站与岭澳核电站。同时，这里相邻的排牙山形成天然的宇宙线屏蔽，可排除杂散的中微子干扰，这是外国其它实验组及建设方案中最为欠缺的。

　　中国方案一亮相，就震惊全球。美国为此放弃其打算在本土建设的两个方案。2007年，中国(包括香港和台湾)、美国、俄罗斯、捷克等6个国家和地区合作，由200多位研究人员组成了大亚湾中微子实验项目国际合作组。

　　3个实验厅从去年8月到今年2月先后投入运行，紧邻的核反应堆产生海量的中微子。近点实验厅的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验厅的探测器则负责寻找其通量减少。来自各国的研究人员分享和分析这些实验数据。

　　国际协作研究人员只用了55天的数据，就发现远厅的中微子数丢失了6%，结果表明这第三种振荡几率为9.2%，误差为1.7%。从而，他们抢在竞争对手之前发现了中微子第三种振荡模式。

　　美国《科学》杂志在线版“科学此刻”栏目发表文章《中国物理学家揭露中微子测量的关键》，评价：“此次成果完成了一幅中微子的概念图”，其将可以解释为何现在的宇宙中有如此多的物质，却只有那么一丁点儿的反物质的问题。

　　诺贝尔奖获得者李政道、卡罗·鲁比亚，以及世界许多大实验室向中国高能物理研究所发来贺信。美国科学家Robert McKoewn称之为“中国有史以来最重要的物理学成果”，认为“中国粒子物理的时代已经到来”。

　　曹俊表示，这一发现为破解“反物质消失之谜”开辟蹊径，就像中微子飞行中会“变脸”，反物质消失很可能与中微子振荡有关，同时这也为解开宇宙大爆炸之谜，打开了一扇门。