[天问屈原]天问专栏：撼动宇宙的小粒子——中微子

发布时间：2018-12-20 来源：宇宙探索点击：

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太阳不只赋予我们光，还发射了无数中微子，穿过我们的身体。图片来源：NASA

导读：

来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落，而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”，去给宇宙中微子们“称重”。

天问专栏第十六期，带你走进中微子称重现场。

撰文 | 刘佳（普林斯顿大学）

责编 | 吕浩然

知识分子为更好的智趣生活ID：The-Intellectual

一个静谧的午后，我正试图向妈妈解释什么是中微子。

“如果你把大拇指竖起来，每一秒钟，就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”

“700亿？！”听到这个数字，妈妈吓了一跳，赶紧把手揣回口袋。

可事实却是，妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用：一颗中微子在太阳内核产生后，只要2秒就可以离开太阳表面，然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒，“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦！”

“不过不用担心，”我告诉妈妈，“中微子是无害的。”

然而，这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

消失的能量——中微子的发现

我们目前知道的有四种力：引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部，所以我们平时都感受不到。除了引力，中微子只参与弱力（比强力弱非常非常多），它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙，也不撞上任何其它粒子！

也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应，很长一段时间，我们都不知道它的存在。

1920年代，众多实验发现在β衰变中，能量守恒定理不管用了。按理说，中子衰变成一个质子和一个电子（n p e）的话，电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量，并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了！

这是怎么回事？物理学家们开始怀疑物理定律，觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日，在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利（Wolfgang E.Pauli，1900 - 1958）让朋友在会上宣读了一封他的信，建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说，中子衰变后，除了质子和电子，还有第三个粒子被制造出来。#p#分页标题#e#

鲍利1930年来信原文，图片来源：CERN

在信的最后，鲍利解释自己为什么无法亲自出席会议，“因为我在瑞士苏黎世有个派对要去”——“噗，生活蛮惬意的嘛！”我心想。不过我猜也许他怕被大家炮轰，所以随便找个借口也不一定。

他在信里补充说，“我的建议实在不可信，如果真是这样的话，我们怎么还没观测到那个新粒子呢？”他后来也一直觉得这个猜测太离谱，根本就没有花时间把它写进论文里。倒是在1934年，费米（Enrico Fermi，1901 - 1954）觉得这个想法不错，就把这颗新粒子加进了他的β衰变理论里，并取名为“中微子”（neutrino）–––来自意大利语，意为“中性的微小粒子”。

在鲍利猜想后的第26年，中微子终于在1956年被科温（Clyde Cowan，1919 - 1974）和莱因斯（Frederick Reines，1918 - 1998）等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器，发现从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用，发生β衰变并产生伽马射线和中子。鲍利在这次发现不久后去世，也算是幸运地在有生之年看到了中微子的成功探测。

太阳中微子谜题——中微子震荡

上世纪六十年代，问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克（Homestake）实验。当时也已经有了比较完善的标准太阳模型，可以通过计算太阳中心核聚变的速率，推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来[1]。

但是在地球上探测到的太阳中微子，却只有预测的三分之一。人们怀疑：不是太阳模型的理论错了，就是中微子实验出了毛病！不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了？

然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错，中微子探测实验结果也没错！问题出在中微子身上，它们比我们想象中的要更有趣！

“中微子振荡”解释了这个谜题的答案。中微子有三种“味”，分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。当然这里说的“味”不是味觉的“味”，而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”（也就是振荡）。

太阳内核只生产电子中微子，但是电子中微子在穿越真空来到地球的过程中会来回“变味”——有时是渺子中微子，有时是陶子中微子，有时变了一圈又回到电子中微子。所以当它们被地球上（只能探测到电子中微子）的探测器所捕获时，已经有2/3的电子中微子变成了另外的味。#p#分页标题#e#

不停“变味”的中微子，图片来源：Johan Jarnestad/The Royao Swedish Academy of Sciences

加拿大位于地下2.1公里的萨德伯里中微子天文台（SNO）在直径12米的球型容器中装了1000吨重水，他们通过对中性流相互作用和电子弹性散射作用的分析，对所有三个味的中微子都有灵敏度。SNO最终探测到了和预期数量吻合的太阳中微子，证实了太阳中微子振荡。

加拿大萨德伯里中微子天文台，图片来源：萨德伯里中微子天文台

同一时期，日本在富山县茂住矿山一个深达1公里的废弃砷矿里建造了超级神冈探测器（Super Kamiokande）：在一个高为41米、直径39米的圆柱形大容器里装了5万吨高纯度水。他们的观测目标是地球大气层中产生的渺子中微子。通过对比头顶（振荡发生前）和脚底（振荡发生后，从地球另一端穿过来的）的渺子中微子数量，超级神冈实验成功证实了大气层的中微子振荡。

日本的超级神冈探测器，在实验初期（1996年）往探测器内灌水。图片来源：东京大学

写到这里，也许你已经发现了，大部分的中微子探测器都是在很深的地下。为什么呢？这么做的原因是地球表面充斥着来自外太空的高能粒子“宇宙线”，可以产生类似中微子的信号。把探测器埋在地下，可以利用地球来屏蔽这些宇宙线，以降低噪音的干扰。（PS：请不要问我宇宙线是从哪里来的，我也不知道……不过有迹象显示宇宙线来自于银河系外的超级高能事件，比如超新星爆炸和活动星系核。）

“它也是有质量的！”

中微子振荡的发现，证明了中微子质量不为零。在相对论中，质量为零的粒子以光速运行，时间对它们来说是静止的，因此它们“不知道”时间的存在。而“振荡”的发生要求中微子“知道”时间流逝了多少，然后相对地去“变味”，进而证明了中微子质量必须不为零。

“中微子质量不为零”这个结论强迫我们去修正之前的粒子物理“标准模型”。“标准模型”描述了基本粒子的性质和相互作用，里面包括6个夸克、6个轻子、4个规范玻色子，还有1个希格斯玻色子。信不信由你——仅仅这17个粒子（以及它们的反粒子），就能精确地描述我们所在的这个世界！桌椅、花草、各种颜色的光芒、你自己和所有你爱的人，都是由这些粒子所组成！（不过，一个大大的“不过”，暗能量和暗物质暂时无法由它们描述，但这就要留到以后再讲了！）#p#分页标题#e#

粒子物理标准模型，最后一行的绿色粒子为中微子，他们的质量目前未知。图片来源：维基百科

在最初的模型中，三个中微子都是质量为零。目前为止，我们虽然知道它们的质量不为零，但却不知道具体质量是什么。测量质量——听上去很简单的一件事（我妈：“放在秤上量一量就好了嘛！”），实际操作起来，却因为在实验室里中微子只通过弱力起作用而变得极端棘手——β衰变几乎是唯一的办法。

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验就是试图通过观测氚原子的β衰变来寻找答案。氚（3H，读作：chuān）又称超重氢，原子核由一个质子和两个中子组成，比普通的氢原子（氕，读作：piē）多出两个中子，其β衰变产生的电子拥有较小的能量，所以很适合实验目的。KATRIN将测量β衰变后的电子能谱。电子能谱终点与零质量曲线相比所缺少的能量，就是中微子的质量。为什么知道了能量就等于知道了质量？是爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2，即能量＝质量*光速平方）告诉我们的。

KATRIN的设想很美好，但是现实却很残酷——如果说中微子质量为1eV的话（保守的上限，实际可能还要更低），能进入最高的1eV能谱的，即“有用”的电子只占所有电子的2x10-13，也就是20万亿颗电子里才有一颗……无论如何，KATRIN实验正在进行中，让我们拭目以待吧！

2006年11月25日，特殊制造的卡车正载着200吨重的KATRIN探测器，小心翼翼地穿过德国小镇符腾堡（Leopoldshafen），运往卡尔斯鲁厄科研中心。图片来源：卡尔斯鲁厄科研中心

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验通过测量β衰变的电子能谱终点来限制中微子质量。左图为电子能谱，右图为能谱终点放大图，红线为零质量的预期，蓝线为质量为1eV的中微子。也可以理解为，灰色小三角显示的“失去的能量”就是被中微子的静止质量带走的。图片来源：KATRIN实验

宇宙中微子背景辐射

在宇宙大爆炸发生后的瞬间，整个宇宙像一碗超级热汤，各种粒子（包括中微子）不停地产生和泯灭。而当宇宙迅速膨胀，粒子密度骤然下降后，中微子再也撞不上其它（有电磁力和强力作用的）粒子了，于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟，中微子就停止了和其它粒子的弱力作用，从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射[2]。#p#分页标题#e#

你也许听说过另一种宇宙背景辐射，宇宙微波背景辐射，它和中微子背景辐射的原理类似，是与电子分离后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景来源于宇宙诞生后约38万年，远远晚于中微子背景。

今天，这些来自宇宙初期的中微子无处不在地填满了宇宙的各个角落，你的一杯水中就有几千个宇宙中微子。可惜的是，我们无法像探测太阳中微子一样探测这些宇宙中微子，因为它们的能量实在太弱了，根本就无法“撞”动我们探测器中的原子核[3]。

宇宙中微子和其他来源的中微子能量对比，图片来源：Ulrich F. Katz and Christian Spiering（2012）

于是科学家们脑洞大开，试图用整个宇宙来做这些中微子的探测器。这次，我们利用的不是中微子的弱力作用，而是它们的引力作用。

我们今天看到的星空中的各种星系和星系团，是宇宙中物质引力作用的结果。而冷暗物质占了所有物质的85%，所以对宇宙的演变有决定性作用。冷暗物质不具有电磁力和强力，只通过引力相互作用（不过我们尚不知它们是否有弱力）。宇宙初期，物质分布只有微小的不均匀。在宇宙膨胀后，在冷暗物质的引力作用下，密度高的地方吸进越来越多的物质，密度低的地方则变得越来越空旷，于是这些不均匀慢慢变得越来越明显。宇宙中密度最高的地方便形成了我们所熟悉的星系和星系团。

电脑模拟宇宙中物质分布的演变过程。左上角为134亿年前的远古宇宙，右下角为今天的宇宙。图片来源：Andrey Kravtsov and Anatoly Klypin

作为“热暗物质”，宇宙中微子可不像冷暗物质那么乖乖地就往高密度的地方走。由于它们产生于宇宙初期极端高温时期（约300亿摄氏度！），宇宙中微子拥有非常高的动能，所以即使路过高密度区域，仍然可以轻而易举地逃逸掉。冷暗物质就像我们和周围大部分的家具一样，因为没有什么初始速度，便牢牢地被地心引力绑在地面上。而宇宙中微子就好像马斯克的特斯拉轿车一样，凭借着猎鹰重型火箭的强大推动力，逃脱地心引力，冲向太空。

下面的对比图显示了1.9eV中微子（左图）和零质量中微子（右图）的两个宇宙中，可见物质的分布[4]。红色是高密度区域，蓝色是低密度区域。非零质量中微子的存在，仿佛在宇宙的“国画”上泼了一层墨，把细线都晕开了。也正是对宇宙中这些大尺度结构的观测，让我们有可能去限制中微子的具体质量。#p#分页标题#e#

电脑模拟宇宙中可见物质的分布。左图假设宇宙中微子质量为1.9eV，右图则假设宇宙中微子质量为零。图片来源：Shankar Agarwal and Hume A. Feldman（2011）

事实上，普朗克太空望远镜的科学家们已经通过宇宙学的数据，在2016年得出了0.23eV的中微子质量上限[5]，这离来自粒子物理实验的质量下限0.06eV已经不远了。

我从去年开始对宇宙中微子产生兴趣——感叹中微子质量如此之轻，却撼动了整个宇宙。我和同事们花了一年时间把中微子加入我们的宇宙模拟中。用超过两百万的核小时运算时间（相当于用笔记本电脑算上两百年），最后，我们记录了100个不同质量的中微子对宇宙结构演变的影响[6]。

测量中微子的质量，不仅仅是给粒子物理标准模型填补空白那么简单。中微子和其它的费米子相比，质量微小得有些诡异，电子（中微子以外最轻的费米子）的质量至少是中微子的百万倍。如果中微子也和其它的粒子一样，都是通过希格斯玻色子获得质量，为什么它的质量会如此微小？难道它们的质量是通过其它的物理机制获得的？对于中微子质量的准确测量，将帮助我们回答这些问题，甚至给粒子物理的未来发展指明方向。

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