中微子的發(fā)現(xiàn)

　　雖然中微子這種新粒子在1930年就由物理學(xué)家泡利提出，但第一個(gè)驗(yàn)證中微子存在的實(shí)驗(yàn)卻得到1956年才完成。中微子探測的難度極大，因?yàn)樗推渌镔|(zhì)發(fā)生反應(yīng)的幾率極小。在中微子提出后的二十多年里，美國興建了多個(gè)核反應(yīng)堆。包括我國物理學(xué)家王淦昌在內(nèi)的一些物理學(xué)家意識到，核反應(yīng)堆附近每秒每平方英寸有300萬億個(gè)反電子型中微子，如果探測器足夠大，是有可能從這么多中微子里探測到信號的。

　　1956年，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)由美國物理學(xué)家費(fèi)雷德里克·萊茵斯和克萊德·科萬完成。他們選用氫核（質(zhì)子）作為靶，通過探測中微子與質(zhì)子的反應(yīng)，直接證實(shí)了中微子的存在。萊茵斯因此于1995年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)（讓人遺憾的是，科萬于1974年去世了，否則他也有機(jī)會分享此殊榮）。下圖所示內(nèi)容為，兩位科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)中微子的電報(bào)。

　　宣布中微子發(fā)現(xiàn)的電報(bào)

　　霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)與薩德伯里中微子觀測站

　　太陽為我們帶來的光明和能量，同時(shí)也帶來了無數(shù)看不見摸不著的中微子。物理學(xué)家們希望能探測到這些中微子，因?yàn)樗鼈儼刑杻?nèi)部的重要信息。有兩個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，就把它們的目標(biāo)放在了太陽中微子上。

　　1964年，物理學(xué)家雷·戴維斯和天文學(xué)家約翰·巴卡爾在美國南達(dá)科他州的霍姆斯塔克金礦中進(jìn)行了中微子探測實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)選擇了1600多米深的地下，這是因?yàn)橄啾葮O難探測的中微子，闖入地球大氣層的宇宙射線信號要強(qiáng)烈的多，如在地面探測，中微子信號很容易淹沒在宇宙線信號中。而厚厚的巖石就對宇宙線設(shè)立了屏障，讓探測器處在一個(gè)“安靜”的環(huán)境里。另外，為了盡可能多的收集中微子信號，霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)的探測器靶體很大，用了40萬升的四氯乙烯液體，中微子撞在氯核上，通過弱相互作用，有很小的概率會把氯核變成氬核。戴維斯等科學(xué)家通過尋找氬核來探測中微子。

　　霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)首次成功測量到了太陽產(chǎn)生的中微子，但結(jié)果還是有些出乎意料。探測到的中微子數(shù)量只有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計(jì)算出來的三分之一，有三分之二的中微子不翼而飛。這讓科學(xué)家們大惑不解，一方面尋找理論計(jì)算中的錯(cuò)誤和漏洞，另一方面重復(fù)實(shí)驗(yàn)，持續(xù)測量了30多年。測量結(jié)果始終沒有改變，其它實(shí)驗(yàn)組也相繼做了類似的實(shí)驗(yàn)，都得到相同的結(jié)果。這就是著名的太陽中微子丟失問題。為了解釋理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，有些天文學(xué)家開始懷疑太陽模型可靠性。另一方面，意大利的物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫在實(shí)驗(yàn)之初就提出可以用中微子振蕩來解釋這個(gè)問題。1986年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫與阿列克謝·斯米爾諾夫?qū)⒚绹锢韺W(xué)家林肯·沃芬斯坦的中微子與物質(zhì)的相互作用理論應(yīng)用于太陽中微子問題，提出了物質(zhì)增強(qiáng)的太陽中微子振蕩解釋。太陽產(chǎn)生的是電子中微子，但在電子中微子從太陽核心飛出的過程中，會轉(zhuǎn)變成其它兩種中微子：繆子中微子和陶子中微子?；裟匪顾藢?shí)驗(yàn)只能探測電子中微子，無法探測其它兩種。

　　1999年，薩德伯里中微子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory，縮寫為SNO）接過了太陽中微子探測的接力棒。這個(gè)實(shí)驗(yàn)繼承了霍姆斯塔克實(shí)驗(yàn)的優(yōu)良傳統(tǒng)，把探測器放在加拿大安大略省一個(gè)2100米深的礦坑中。但是他們使用了新的中微子探測方法，即根據(jù)高速粒子通過介質(zhì)時(shí)發(fā)出切倫科夫光的現(xiàn)象來探測中微子，這種方法對三種中微子都有效果。2001年，在薩德伯里中微子觀測站發(fā)表的結(jié)果中，把失蹤的中微子都找回來了，結(jié)果表明太陽中微子從太陽核心產(chǎn)生后部分轉(zhuǎn)化成了其它類型的中微子。

　　雷·戴維斯超越時(shí)代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在近40年后才終于被人們所理解，這也使他在2002年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　SNO 實(shí)驗(yàn)探測裝置圖

　　神岡和超級神岡實(shí)驗(yàn)

　　神岡與超級神岡探測器和上述太陽中微子探測器一樣，也頗為青睞礦井，它位于日本岐阜縣飛騨市神岡町（舊吉城郡）神岡礦山的一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中。它有著輝煌的歷史和豐富的物理成果，最初名為神岡核子衰變實(shí)驗(yàn)，1983年建成，由一個(gè)裝有3000噸水圓柱形容器和1000只光電倍增管構(gòu)成，最初的目標(biāo)是探測質(zhì)子衰變。1985年進(jìn)行第一次擴(kuò)建，實(shí)驗(yàn)也改名為神岡核子衰變實(shí)驗(yàn)二期。1987年2月，神岡探測器記錄到了來自大麥哲倫星云中超新星1987A爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的中微子，為恒星衍化研究提供了寶貴的資料。

　　到了20世紀(jì)90年代，神岡探測器進(jìn)行了第二次擴(kuò)建，這一次規(guī)模擴(kuò)大了10倍，用了5萬噸超純水和11200個(gè)光電倍增管，并改名為氣勢十足的超級神岡探測器。1996年，超級神岡探測器開始取數(shù)。超級神岡探測器也通過切倫科夫光來探測中微子，除了太陽中微子，超級神岡實(shí)驗(yàn)主要用來探測大氣中微子信號。這種中微子是宇宙線轟擊地球上層大氣的產(chǎn)物，以兩種類型出現(xiàn)，分別是電子中微子和繆子中微子。超級神岡探測器可以區(qū)分由上方大氣層產(chǎn)生自上而下穿過的中微子和由地球另一端的大氣層產(chǎn)生自下而上穿過的中微子。測量結(jié)果顯示，傳播不同距離的中微子的數(shù)目也不同，也就是中微子在傳播中發(fā)生了振蕩現(xiàn)象（之后更精確的的數(shù)據(jù)分析表明，主要是其中的繆子中微子主要轉(zhuǎn)變成第三種中微子，即陶子中微子。）。 1998年，超級神岡實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)人之一，小柴昌俊先生的學(xué)生梶田隆章在中微子1998會議上發(fā)表了實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果，第一次證實(shí)了中微子振蕩現(xiàn)象的存在。雖然最初的目標(biāo)質(zhì)子衰變并沒有探測到，但神岡和超級神岡實(shí)驗(yàn)“幸中副車”，憑借物理學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)勤奮的研究，收獲了豐碩的成果。2002年，小柴昌俊由于觀測到1987A超新星中微子和前文提到的雷·戴維斯分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　圖為實(shí)驗(yàn)人員在超級神岡探測器內(nèi)部檢修

　  大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

　　大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)位于中國廣東省深圳市大亞灣，這個(gè)實(shí)驗(yàn)延續(xù)了1956年費(fèi)雷德里克·萊茵斯等人發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)的血脈，同樣通過探測中微子和質(zhì)子的反應(yīng)來研究中微子。雖是基于相同的物理原理，實(shí)驗(yàn)技術(shù)卻經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)化。精度是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵詞，運(yùn)用了能量分辨更好的液體閃爍體來捕捉中微子的信號，并建造了8個(gè)探測器，分別安裝在3個(gè)實(shí)驗(yàn)廳，通過不同距離間的相對測量來抵消誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，是要測量前文提到的太陽中微子振蕩、大氣中微子振蕩之外的第三種中微子振蕩模式，并精確測量其振蕩幾率，進(jìn)而定出物理模型的參數(shù)。這種振蕩效應(yīng)是非常小的，21世紀(jì)初，許多物理學(xué)家認(rèn)為其幾率接近0。正因?yàn)榇耍髞啚持形⒆訉?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上就走在了精度的最前沿。

　　北京時(shí)間2012年3月8日14時(shí)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)言人王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率，極大地完善了中微子振蕩理論，并對進(jìn)一步理解宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱具有重要的指標(biāo)性意義。

　　水池中的中微子探測器