中微子與消失的能量之謎

在當(dāng)前的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是最微小、相互作用最弱的粒子，但卻是促成我們?nèi)缃裼钪娴摹按蠊Τ肌敝弧?/p>

有了它的參與，恒星內(nèi)部才產(chǎn)生了核反應(yīng)，才能釋放光和熱；同樣是有了它的參與，在超大恒星死亡時(shí)，才合成了比鐵元素更重的元素（其中有大量人體必需的微量元素），并把它們拋向了宇宙各處。沒有中微子，宇宙將一片死寂，沒有光和熱，也沒有重核元素，更不會(huì)有地球上的生命。

從中微子1930年經(jīng)泡利“介紹”正式進(jìn)入科學(xué)界開始，到它終于被捕捉到，再到它的基本性質(zhì)一步步被揭曉，中微子的故事充滿了好奇、懸疑與驚喜。

下面，讓我們通過本篇文章

了解一下中微子

是如何被“介紹”進(jìn)入科學(xué)界的

中微子也被稱為“幽靈粒子”“宇宙信使”

“絕望的泡利假說”

1930年12月，在蘇黎世的一個(gè)寒冷的夜晚，時(shí)年30歲的物理學(xué)家沃夫?qū)づ堇?，正在寫一封寄往圖賓根物理學(xué)會(huì)議的信，他表示因?yàn)楸仨毘鱿粋€(gè)在蘇黎世舉辦的舞會(huì)而無法到場(chǎng)，但他想讓他們知道，他已經(jīng)找到了解決β衰變中惱人的能量消失之謎的方法。他提出了一種名為“中子”（后來被稱為 “中微子”）的新粒子，位于原子核內(nèi)部。這種粒子在β衰變中與電子一起發(fā)射，帶走了消失的能量。

從他信中的語(yǔ)氣可以看出，他認(rèn)為這種補(bǔ)救方法是極端的。他是如此謹(jǐn)慎，以至于在信中寫道：“......只有敢于嘗試的人才能獲勝。”25 年后，當(dāng)這種粒子被發(fā)現(xiàn)時(shí)，他確實(shí)獲勝了。

物理學(xué)家沃爾夫?qū)ざ魉固亍づ堇?900~1958），因其提出的“泡利不相容原理”獲得1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

起因：β衰變中消失的能量之謎

眾所周知，能量守恒定律是現(xiàn)代物理學(xué)大廈的基石之一，它規(guī)定任何物理過程中，盡管系統(tǒng)會(huì)隨時(shí)間演化但系統(tǒng)的總能量是不變的。即系統(tǒng)初始階段有多少能量，最終階段也會(huì)有同樣的能量。能量守恒定律是人們理解世界的一大工具，并且沒有任何與之相悖的現(xiàn)象出現(xiàn)，直到十九世紀(jì)九十年代初的一個(gè)核反應(yīng)過程被進(jìn)一步分析，其結(jié)果竟然與能量守恒定律相悖！

1896年，法國(guó)物理學(xué)家亨利·巴克雷在研究鈾化合物的熒光現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)了類似 X 射線的射線，與此同時(shí)歐內(nèi)斯特·盧瑟福也發(fā)現(xiàn)了該射線，并將其命名為β射線。1902 年，皮埃爾·居里和瑪麗·居里證明，β射線只不過是電子而已。后來，人們確定這些電子來自放射性原子的原子核。1903年，巴克雷（與皮埃爾和瑪麗·居里一起）因發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射性而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

β衰變：原子核自發(fā)地放射出β粒子（電子）或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。

β衰變示意圖（右下角為中子經(jīng)β衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子與中微子）

1914 年，盧瑟福的學(xué)生詹姆斯·查德威克正在研究氮和鋰衰變中的β射線。根據(jù)能量守恒定律，兩體衰變（由一變?yōu)槎┑哪芰渴枪潭ǖ?，但是查德威克觀察到的β衰變的能量卻不固定，并且有一部分能量消失了。這個(gè)結(jié)果違背了能量守恒定律，一度引起物理學(xué)界激烈的討論，波爾甚至提出β衰變就是違背了能量守恒的說法。最終，泡利提出了前文中他自己稱為“絕望的補(bǔ)救措施”的想法，即中微子的存在假設(shè)。（泡利實(shí)際上稱這種粒子為“中子”，但后來被恩里科·費(fèi)米稱為“中微子”）。

物理學(xué)家詹姆斯·查德威克（1891~1974），因發(fā)現(xiàn)中子獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

中微子的存在假說從未出現(xiàn)在任何科學(xué)雜志上。事實(shí)上，泡利似乎很后悔提出這種粒子。他后來曾說：“我做了一件可怕的事情，任何物理學(xué)家都不應(yīng)該這樣做——我提出了一種無法被探測(cè)到的粒子”。1931年，狄拉克發(fā)表了關(guān)于磁單極子存在假說的論文。在此之后，泡利對(duì)伊西多·拉比（1944年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）說：“我認(rèn)為我比狄拉克聰明，我沒有發(fā)表它?！边@里的“它”指的是他的中微子假說。顯然，泡利認(rèn)為狄拉克當(dāng)年在《皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊》上發(fā)表了一篇關(guān)于未被發(fā)現(xiàn)的磁單極子的文章是不明智的。

而如今，磁單極子仍然未被發(fā)現(xiàn)，但中微子已成為一個(gè)全面開花的研究領(lǐng)域。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室研究中微子的優(yōu)勢(shì)

中微子實(shí)驗(yàn)與暗物質(zhì)探測(cè)一樣，需要極低輻射干擾的“安靜”環(huán)境，用以捕捉中微子碰撞產(chǎn)生的閃光。同時(shí)，中微子實(shí)驗(yàn)動(dòng)輒上百噸的探測(cè)器，對(duì)實(shí)驗(yàn)室空間需求很大，對(duì)設(shè)備安裝需求很高。而由國(guó)投集團(tuán)雅礱江公司和清華大學(xué)共建的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室有著世界上埋深最深、空間最大、交通最便利的先天優(yōu)勢(shì)以及世界第一的輻射屏蔽條件，正好能滿足中微子實(shí)驗(yàn)的開展。并且，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室身處橫斷山脈中，靠近喜馬拉雅山區(qū)，遠(yuǎn)離核反應(yīng)堆，能更好地開展太陽(yáng)中微子觀測(cè)和地球中微子研究。

當(dāng)前，入駐中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展中微子研究的實(shí)驗(yàn)組有來自清華大學(xué)的錦屏中微子實(shí)驗(yàn)組JNE，主要研究太陽(yáng)中微子、地球中微子與超新星中微子。此外，CDEX和PandaX暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)組正在同步進(jìn)行無中微子雙β衰變的研究，將進(jìn)一步揭示中微子的特性。