曉陽

宇宙中有一種來無影、去無蹤的“幽靈粒子”，它們是中微子。然而，科學(xué)家卻能通過巧妙的方法發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，就算它們“玩失蹤”，科學(xué)家也能知道它們改頭換面成什么樣子了。瑞典皇家科學(xué)院將2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了日本物理學(xué)家梶田隆章和加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納，他們的貢獻(xiàn)就是找到了“失蹤”的中微子，并以此證實(shí)中微子有質(zhì)量。

“幽靈粒子”無處不在

獲得2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家研究的是中微子。那有沒有大微子和小微子？沒有。其實(shí)中微子的“中”不是指大小，指的是電中性，即這種粒子是不帶電的，而“微”是說它很小，所以叫中微子。中微子是宇宙中最基本的粒子之一。它有一個(gè)神奇的特性，那就是可以穿透任何物質(zhì)。當(dāng)你在閱讀這段文字的時(shí)候，已經(jīng)有數(shù)以億計(jì)的中微子穿過了你的身體，而你并不會(huì)因此產(chǎn)生“萬箭穿心”的感覺。

我們生活在一個(gè)中微子充斥其間的世界。中微子是宇宙中數(shù)量第二多的粒子，僅次于光子。然而，由于它們具有很強(qiáng)的穿透性，且很難和普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，所以探測起來非常困難，一度被科學(xué)家稱為“捉不住的‘幽靈粒子”。直到1956年，才有兩位物理學(xué)家成功探測到了中微子的存在，宣告了這一“幽靈粒子”的真實(shí)存在，該成果在1995年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

解開中微子“失蹤”之謎

1968年，美國物理學(xué)家戴維斯觀測到來自太陽的中微子。然而，他測量到的中微子數(shù)僅有理論預(yù)測的三分之一。這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。在確認(rèn)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都無誤之后，科學(xué)家推測，來自太陽的中微子發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，即從一種中微子變成了其他中微子。太陽產(chǎn)生的中微子是電子中微子，自然界還存在另外兩種：繆子中微子和陶子中微子。

這種推測被麥克唐納用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。麥克唐納驗(yàn)證中微子振蕩采用的是重水中微子探測器。這種探測器的主要部分是一個(gè)直徑12米的球形容器，里面裝有1 000噸重水，容器壁用丙烯酸樹脂制成，容器的周圍安裝了9 600個(gè)光電倍增管，用于探測中微子遇到重水輻射的光子。2001年，麥克唐納利用重水探測器發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的證據(jù)。

來自太空的高能宇宙射線，在地球大氣層中也會(huì)產(chǎn)生大量中微子。1988年，梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，測到的中微子比預(yù)期少，這被稱為“大氣中微子反?！薄?008年，梶田隆章用超級神岡探測器驗(yàn)證了大氣中微子也會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。這個(gè)探測器的主要部分是一個(gè)高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，里面裝滿水，容器的內(nèi)壁上安裝有11 200個(gè)光電倍增管。

那么，中微子振蕩為什么又和中微子有質(zhì)量相關(guān)呢？曾經(jīng)的理論預(yù)測認(rèn)為，中微子是沒有質(zhì)量的，那么按照這個(gè)理論，中微子就不可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。假如中微子有質(zhì)量，而且不同中微子存在混合的話，中微子就能在飛行過程中自發(fā)變成另一種，還能變回來，像波一樣振蕩。

發(fā)現(xiàn)中微子振蕩有啥用

麥克唐納和梶田隆章的研究究竟有啥用？梶田隆章表示，他所從事的這項(xiàng)研究，不是那種馬上就會(huì)有什么用處的研究。兩人的研究成果屬于滿足人們好奇心的研究，能為解釋宇宙起源和演化之謎提供一定的線索。歷史上很多意義重大的科學(xué)發(fā)明都起源于人們的好奇心，每個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)或許起初缺乏實(shí)際用途，但從長遠(yuǎn)來看，都會(huì)對現(xiàn)實(shí)生活產(chǎn)生重大影響。

有關(guān)中微子的研究還有利于揭示太陽能量之謎。科學(xué)家認(rèn)為，太陽的能量來自核心區(qū)的核聚變，核心區(qū)產(chǎn)生的熱能要經(jīng)過10萬年，才能傳遞到太陽表面，變成我們能感知的光和熱。要驗(yàn)證這個(gè)理論機(jī)制，似乎是一件無法完成的任務(wù)，因?yàn)槿祟惖奶綔y器連地心都不可能抵達(dá)，更不用說太陽核心了。然而，中微子可以輕松地從太陽核心穿過，通過探測來自太陽的中微子，就可以想辦法揭示太陽核聚變之謎。