知乎日报:今年诺贝尔物理学奖的主角 是个能够穿越地球的小妖精

    本人是国内大亚湾中微子实验的一员民工。

  先引用一段,关于太阳中微子的:“中微子振荡,这是啥? 假设中微子这种基本粒子是一群普通青年,他们十一去远游,到了地方发现人只剩约 1/3,人都消失啦,这就是中微子丢失之谜。后来人们发现普通青年没丢,但变成了文艺青年和 2B 青年,这叫中微子振荡。”

  中微子是我们物质世界的一种基本粒子,和电子、夸克等都是宇宙的基本组成单元。不过它的穿透能力很强,和普通的物质基本不会发生相互作用,比如 1MeV 的电子顶多穿透 2mm 的铝,而相同能量的中微子则可以轻松的穿过整个地球。

  在粒子物理中,有一个叫做“标准模型”的理论模型来描述各个基本粒子和它们之间的相互作用。标准模型对夸克、轻子和波色自的预言十分准确,特别是前几年拿了诺奖的上帝粒子——Higgs 粒子就是标准模型中预言的最后一种粒子。虽然标准模型在过去的几十年间获得了巨大的成功,不过它也有一些小小的瑕疵,就像 19 世纪末的经典物理学一样,标准模型无法描述暗物质的存在,也无法描述暗能量是个什么东西,不过毕竟暗物质和暗能量还没有被正式发现,标准模型还不需要太担心。

  但是中微子振荡则不一样,它是目前唯一直接超出标准模型的实验结果。在标准模型中,中微子分为三代,电子中微子、缪子中微子和陶子中微子,它们的静止质量严格为 0,它们要遵循轻子数守恒,不能相互转变。但是实验上却发现,不同代的中微子之间确是可以互相转变的,就是所谓的中微子振荡。这种现象要求中微子具有质量,超出了标准模型。

  简单的说,一个核反应堆如果产生了 100 个反电子中微子,而我们在 1 公里外观测,只能看到 95 个,另外 5 个转换成了缪子中微子和陶子中微子。

  中微子振荡的现象是上世纪 60 年代美国科学家戴维斯首次发现的(戴维斯是 95 年诺奖获得者),他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子,发现数据只有理论预期的三分之一,这在当时被称为太阳中微子之谜,科学家们不知道这些中微子去了哪里,不过今年诺奖之一的 SNO 实验在 2000 年左右确认,这些电子中微子也是振荡到了另外两种。

  中微子的来源有很多,高能宇宙线和大气层相互作用会产生中微子,太阳核聚变会产生中微子,反应堆中核燃料衰变也会,地球内部的 U 和 Th 衰变也会。这些不同来源的中微子都会发生振荡,而今年诺奖的日本实验 SK 就是发现了大气中微子振荡,SNO 就是确认了太阳中微子振荡。

  SK 下面这个图很有意思,他们乘着小船在探测器里面修光电倍增管。

  目前中微子是粒子物理的一个热点研究领域,很有可能是下一代物理的突破点。而我国在这个领域也处于世界前列。2007 年开始建设的大亚湾中微子实验是研究距离核反应堆 2km 处的中微子振荡,在 2012 年 3 月全球首次测量到该振荡模式。如果说 SK 首次测量到的是中微子第二代和第三代的振荡,SNO 确认了第一代和第二代之间的振荡,大亚湾实验则是首次测量到第一代和第三代之间的振荡。不过我们并不奢望诺奖,毕竟中微子振荡已经被确认这么多年了。

  中微字振荡是按照正弦和余弦的规律进行,三种振荡的振幅已经都被测量出来,不过还有两种频率尚未确定清楚。这是国内外下一代中微子实验的焦点,包括我国的江门中微子实验,日本的 HyperK 实验,美国的 DUNE 实验,还有南极的 IceCube 实验。如果这个频率在未来十年能够被测定,中微子振荡的下一个问题就是 CP 破坏,也就是正反中微子的区别,这有可能能够解释目前宇宙中为什么物质远多于反物质。

  我国的大亚湾实验的一个重要意义就在于,它确认了一三振荡的幅度足够大,在目前的技术水平下,中微子振荡的频率和 CP 破坏都可能被测出来,所以从 2012 年后,世界上的中微子实验开始不断加速。或许我们有生之年能够看到宇宙中反物质消失之谜。

  最后一部分,关于中微子的应用。目前关于中微子的研究都是基础科学的研究,也就是在积累对中微子性质的理解,尚未能够应用于日常生活中,不过引用科学网曹俊老师的一段话“四百年前,丹麦科学家第谷仰望星空三十年,积累了大量的天文数据,由他的弟子总结成开普勒三定律,这是牛顿提出牛顿力学的重要依据。谁能想到,天天盯着星星看而窥得的行星运动的奥秘,几百年后却成为我们修造高楼大厦、桥梁、飞机、汽车、发射飞船卫星的根本?今天的科学将是明天的技术。从基础科学研究到技术转化需要一代代科学家们的持续努力。”

  就目前而言,中微子已经成为天文学和地质学的一种探测工具,超新星爆发会施放大量的中微子,地球内部的核衰变也会施放中微子,这些中微子是研究天体物理和地质的新工具。从自然科学的历史来看,每当科学家多出一种探测世界的手段,对应学科都会有突飞猛进的发展。引用一张图片,侵删。

  这是宋代著名超新星爆发后的遗迹 -- 蟹状星云,图中可以看到它在不同波段的不同性质,科学家会很好奇,在中微子的视角中,它会是什么样子呢?

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