中微子，關乎宇宙起源之謎
撰文 | 曹俊
日本“頂級神岡”中微子探測器項目已正式啟動，計劃於2027年開始收集數據。該項目由日本主導、英國和加拿大等國參與，目的是闡明物質的起源及基本粒子的“大統一理論”，揭開宇宙起源之謎。
中微子是宇宙中數量最多的基本粒子之一。基本粒子是已知的最小粒子，它們不能像原子那樣被分成更小的粒子，是構造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最輕的物質粒子，迄今還未能測出它的確切質量，但至少比電子還要輕100萬倍。它們無處不在，如太陽發光、核反應堆發電、岩石的天然放射性衰變等核物理過程中都會產生，就連我們每個人也會因體內的鉀—40衰變而每天發射約4億個中微子。
中微子的最大特點就是幾乎不與任何物質反應。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，科學上探測也極為困難。因此，中微子的發現和研究過程，飽含著幾代科研人員的心血。
1930年，奧地利科學家泡利為了解釋原子核衰變中能量似乎不守恒的現象，預言了中微子的存在，認為就是這種“永遠找不到的粒子”偷偷帶走了能量。經過20多年的尋找，美國科學家科萬和萊因斯終於在核反應堆旁探測到中微子，證明了它的存在。萊因斯因此獲得了1995年諾貝爾物理學獎。
1968年，美國科學家戴維斯在地下1500米深的廢棄金礦中進行實驗，首次探測到了來自太陽的中微子，證實太陽無窮無盡的能量來自氫核聚變。1987年，日本科學家小柴昌俊在第一代神岡實驗中，探測到了來自超新星的中微子。他們二人因此都獲得了2002年諾貝爾物理學獎。此後，戴維斯進一步提高測量精度，卻發現太陽中微子的數量比理論預言的要少得多，被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。此後，小柴昌俊的學生梶田隆章發現，宇宙射線在大氣層中產生的中微子也比預期少，稱為“大氣中微子丟失之謎”。
中微子為什麽比預計的少？1998年，梶田隆章在升級後的第二代神岡實驗中發現，大氣中微子比預期少，是因為在飛行過程中自發變成了其他種類的中微子，這一現象就是中微子振蕩。他也因此獲得了2015年諾貝爾物理學獎。
中微子振蕩現象證明了中微子有質量，盡管質量極其小，但會影響宇宙的起源和演化。根據已知的物理規律，在宇宙早期，正反物質應該成對產生，數量是一樣的。但在現在的宇宙中，並沒有發現大量反物質存在的跡象。為什麽宇宙隻由正物質構成？反物質到哪裏去了？這是宇宙起源必須回答的關鍵問題。中微子振蕩會帶來一個意外的結果，即正反粒子的行為可以不一樣，很有可能造成反物質消失。因此，全麵了解中微子振蕩，是破解“反物質消失之謎”的重要一環。
由於中微子難以探測，解決這些謎團需要巨大的探測器，獲取更精確的數據。日本前兩代神岡實驗堅持自己的優勢方向，掌握核心技術，持之以恒地探索，取得了巨大突破。此次啟動的第三代實驗“頂級神岡”將建造一個26萬噸的水探測器，造價約8億美元。此前，中國的江門中微子實驗和美國的深層地下中微子實驗也已開始建設。三個實驗間既競爭又互補，聯合分析能顯著提高發現能力。新一代的中微子實驗，也許有一天可以揭開宇宙起源的謎題。
（作者為中國科學院高能物理研究所副所長）
文章來源：《人民日報》2020年4月21日
