中微子“量子涨落”的发现历程(二)

——三种中微子的特别“风味”

中微子震荡的发现荣获了诺贝尔物理学奖，基础性突破性成果解决了中微子物理学长期存在的一个谜团。从1960年代以来，科学家计算了从原子能反应堆释放的中微子数量，核聚变反应形成了太阳发热发光的动力之源，他们对测量到的中微子数量感到迷惑，只测量到了相当于计算数量三分之二的中微子，相当于计算数量三分之一的中微子似乎消失了，“失联”的中微子去到了什么地方？去哪儿寻找它们？绞尽脑汁的科学家排除一切不可能的因素，比如：理论计算的差错，从核反应堆或从太阳内部不至于产生这么多的中微子，遗漏了新的选项。为何在太阳中出现了“迷失的中微子”？原来中微子发生了“身份”转换，它从一种形态转变成了另一种形态。

根据粒子物理学标准模型的解释，中微子有三种类型：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，它们分别对应相应的轻子：电子、比电子质量大和寿命短的μ子、τ子。中微子是自然界最基本的粒子之一，常用符号ν表示，它不带电，自旋为1/2，它的质量很轻，小于电子质量的百万分之一，中微子的移动速度接近光速。从太阳内的核反应中仅产生了电子中微子，设想从太阳发出的电子中微子在移动过程中转变成了μ子中微子或τ子中微子，那么在地球站点接收到的电子中微子将会发生神秘的“失联”现象。

——“地宫”内的中微子搜索

中微子风味的转变仅是理论的推测，实际的物理检验才是“硬道理”，多个国家建造了更大、更复杂的实验室，巨大的地下探测器日夜运行，科研人员忘记了白天与夜晚的区分，实验室在很深的地下建造，以最大限度地屏蔽多种噪声的干扰，比如：太空辐射和环境中的放射性衰变。从数以亿计的真假信号中区分少量的中微子信号，这十分困难，地下矿井的空气和探测器材料包含了自然发生的元素衰变现象，这些“杂七杂八”信号对真正目标的测量产生了干扰。

1996年，超级神冈实验室投入运行，实验室建在沿东京西北方向250公里处的一座地下锌矿，同时，加拿大的萨德伯里中微子天文台在渥太华附近的一座镍矿建造，1999年投入运行。将两个实验室的探测数据进行比较和分析，物理学家揭示了中微子的变色龙性质，这一发现为他们赢得了物理诺奖。超级神冈实验室装有巨型的探测器，在1000米深的地下建造了一个高和宽各40米的水池子，填充了5万吨“纯净水”，水池内的水十分纯净，在强度消减一半之前，光束能在水中传播大约70米，而在强度消减一半之前，光束在普通游泳池只能传播几米。11000多个探测器被安装在水池的顶部、底部和侧部，探测器的接收信号被放大到能探测从超纯水中发出的闪射。

大多数中微子直接穿越了地下水池，不留下一丝色彩，但时不时出现了“漏网之鱼”，一些个中微子在穿越水池时撞上水体的原子核或电子，在撞击过程产生的带点粒子发出闪射，电子中微子在撞击后产生了电子，μ子中微子在撞击后产生了μ子，带电粒子闪射时发出了微弱蓝光，这被称之为“切伦科夫光”，它是超光速粒子在运动中产生的，却没有违背爱因斯坦的狭义相对论原理。没有什么物体的运动速度比光在真空中的传播更快。水下有所不同，光速被下降到最大速度的75%，通过对切伦科夫光中带点粒子的形状和强度，科学家判断出中微子类型，它们从什么地方发出。

——解决中微子的“失联”谜题

在超级神冈实验室运行的头两年，研究人员筛选了大约5000个中微子信号，收集的信号数量比以前的更多，但收集的总数量低于预期，中微子来自宇宙天空的所有方向，当“全速前进”的宇宙射线撞击大气分子时，产生了难以计数的“中微子雨”。超级神冈实验室捕获了μ子中微子，它们直接来源于在大气层上方产生的撞击事件。地下水池的探测器接收了μ子中微子信号。可以认为探测器接收了“上上下下”各个方向的中微子，不同方向的中微子数量相等，不用考虑地球物质对中微子运动的“抵挡作用”，但似乎产生了地球物质的抵挡作用，在超级水池的两个方向接收的中微子数量不等，朝向地表的水池面接收了更多的μ子中微子，背向地表的水池面接收了更少的μ子中微子，似乎在背向地表的水池面，μ子中微子在穿越地球时似乎受到了某种阻拦作用。

根据中微子特性，研究人员立刻联想到μ子中微子在穿越地球时花费了更多时间，期间发生了风味、或形态的转变， 它们从μ子中微子转变为τ子中微子。从穿越地球一方接收的μ子中微子数量少于从没有穿越地球一方接收的μ子中微子数量。从大气层上方到地表有几十公里的距离，从地表到地下1000米的水池，水池的上方对应了地表，水池的下方对应了地球另一端，μ子中微子从水池的上方和下方穿越了地球直径的距离。超级神冈实验室不能探测τ子中微子，μ子中微子的“失联”谜题得到了合理解释。

（编译：2015-10-8）