中微子，關(guān)乎宇宙起源之謎

日本“頂級(jí)神岡”中微子探測(cè)器項(xiàng)目已正式啟動(dòng)，計(jì)劃于2027年開始收集數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目由日本主導(dǎo)、英國(guó)和加拿大等國(guó)參與，目的是闡明物質(zhì)的起源及基本粒子的“大統(tǒng)一理論”，揭開宇宙起源之謎。

中微子是宇宙中數(shù)量最多的基本粒子之一?；玖Ｗ邮且阎淖钚×Ｗ?，它們不能像原子那樣被分成更小的粒子，是構(gòu)造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最輕的物質(zhì)粒子，迄今還未能測(cè)出它的確切質(zhì)量，但至少比電子還要輕100萬倍。它們無處不在，如太陽發(fā)光、核反應(yīng)堆發(fā)電、巖石的天然放射性衰變等核物理過程中都會(huì)產(chǎn)生，就連我們每個(gè)人也會(huì)因體內(nèi)的鉀—40衰變而每天發(fā)射約4億個(gè)中微子。

中微子的最大特點(diǎn)就是幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)。不管是人體還是地球，在它看來，都是極為空曠、可以自由穿梭的空間。我們感覺不到它的存在，科學(xué)上探測(cè)也極為困難。因此，中微子的發(fā)現(xiàn)和研究過程，飽含著幾代科研人員的心血。

1930年，奧地利科學(xué)家泡利為了解釋原子核衰變中能量似乎不守恒的現(xiàn)象，預(yù)言了中微子的存在，認(rèn)為就是這種“永遠(yuǎn)找不到的粒子”偷偷帶走了能量。經(jīng)過20多年的尋找，美國(guó)科學(xué)家科萬和萊因斯終于在核反應(yīng)堆旁探測(cè)到中微子，證明了它的存在。萊因斯因此獲得了1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1968年，美國(guó)科學(xué)家戴維斯在地下1500米深的廢棄金礦中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首次探測(cè)到了來自太陽的中微子，證實(shí)太陽無窮無盡的能量來自氫核聚變。1987年，日本科學(xué)家小柴昌俊在第一代神岡實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)到了來自超新星的中微子。他們二人因此都獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，戴維斯進(jìn)一步提高測(cè)量精度，卻發(fā)現(xiàn)太陽中微子的數(shù)量比理論預(yù)言的要少得多，被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。此后，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章發(fā)現(xiàn)，宇宙射線在大氣層中產(chǎn)生的中微子也比預(yù)期少，稱為“大氣中微子丟失之謎”。

中微子為什么比預(yù)計(jì)的少？1998年，梶田隆章在升級(jí)后的第二代神岡實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大氣中微子比預(yù)期少，是因?yàn)樵陲w行過程中自發(fā)變成了其他種類的中微子，這一現(xiàn)象就是中微子振蕩。他也因此獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子振蕩現(xiàn)象證明了中微子有質(zhì)量，盡管質(zhì)量極其小，但會(huì)影響宇宙的起源和演化。根據(jù)已知的物理規(guī)律，在宇宙早期，正反物質(zhì)應(yīng)該成對(duì)產(chǎn)生，數(shù)量是一樣的。但在現(xiàn)在的宇宙中，并沒有發(fā)現(xiàn)大量反物質(zhì)存在的跡象。為什么宇宙只由正物質(zhì)構(gòu)成？反物質(zhì)到哪里去了？這是宇宙起源必須回答的關(guān)鍵問題。中微子振蕩會(huì)帶來一個(gè)意外的結(jié)果，即正反粒子的行為可以不一樣，很有可能造成反物質(zhì)消失。因此，全面了解中微子振蕩，是破解“反物質(zhì)消失之謎”的重要一環(huán)。

由于中微子難以探測(cè)，解決這些謎團(tuán)需要巨大的探測(cè)器，獲取更精確的數(shù)據(jù)。日本前兩代神岡實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持自己的優(yōu)勢(shì)方向，掌握核心技術(shù)，持之以恒地探索，取得了巨大突破。此次啟動(dòng)的第三代實(shí)驗(yàn)“頂級(jí)神岡”將建造一個(gè)26萬噸的水探測(cè)器，造價(jià)約8億美元。此前，中國(guó)的江門中微子實(shí)驗(yàn)和美國(guó)的深層地下中微子實(shí)驗(yàn)也已開始建設(shè)。三個(gè)實(shí)驗(yàn)間既競(jìng)爭(zhēng)又互補(bǔ)，聯(lián)合分析能顯著提高發(fā)現(xiàn)能力。新一代的中微子實(shí)驗(yàn)，也許有一天可以揭開宇宙起源的謎題。

（作者為中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)）