几乎装满水的超级神冈探测器

中微子是由放射性衰变和核聚变过程所产生的诸多粒子中的一种。它不带电荷，几乎没有质量，与物质的相互作用也极其微弱。一个中微子可以穿过数光年厚的铅层而不“惊扰”其中的任何一个原子。

1．探测到中微子

20世纪初，当物理学家把一次放射性衰变前后的能量和动量加起来的时候，发现两者无法平衡。于是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1930年提出一种尚未被探测到的粒子带走了这部分不见了的能量和动量。科学家们给这种假想中的粒子起了个名字叫“中微子”，意思是“中性的小不点儿”。

中微子的难以捉摸，但意义非凡。中微子不与物质发生相互作用意味着它们可以轻易地逃离产生它们的地方并且把信息传递给我们。例如，太阳中心核聚变所产生的中微子可以毫发无损地穿越太阳的外部包层以及地球大气。探测它们使得我们可以直视太阳的心脏。同时，中微子还可以不受充斥在宇宙中的微波辐射的影响穿行于星系之间。当然，也正是因为如此，对中微子的探测也会变得极为困难。

在众多的探讨中微子的实验方案中，中国物理学家王淦昌提出的方案格外引人注意。他在40年代初从中国的抗战大后方向美国《物理评论》杂志提交了一篇简短的论文，建议把普通β衰变末态的三体，变为K俘获的二体，就有可能间接观测到中微子的存在。他还特别指出，可取Be→Li作为实验对象。这一建议立即受到实验物理学家的重视。1952年美国的戴维斯果然用这一方法取得了与理论预期值相符的实验结果，初步肯定了中微子的客观存在。

直到1956年，科学家使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到了这些粒子。物理学家弗雷德里克·莱因斯和考恩因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

2．中微子的新特性

当你读到这儿的时候，正有几十亿个的中微子在穿过你的身体。其中绝大部分来自太阳，一些来自遥远的星系，还有的甚至还可能来自宇宙最初的大爆炸。从出生的那一刻起中微子就在不断地穿过你的身体，然而在你的整个一生中只有少数的几个中微子会和你身体中的原子发生相互作用。要探测到这些中微子，关键就要观察和你身体发生的相互作用。如果你知道这一点，就能明白探测中微子是多么艰难了。也正是因为如此，中微子被称之为“幽灵粒子”。

由上可知，要探测中微子，需要解决两个问题：一是探测器要大，比人的身体要大很多，让更多的中微子能够同时通过探测器。二是要排除其他微波辐射的干扰。也就是要把试验场所安置在地下2公里左右，利用地壳来屏蔽掉其他的射线，只让中微子通过。

美国宾夕法尼亚大学的雷·戴维斯率先做了这项工作，并将实验装置安放在美国南达科他州霍姆斯特克金矿地下1.6千米深的地方。在充满液体的大罐子里装满了四氯乙烯，每一天通过这个大罐子的太阳中微子会把一个氯原子转变成一个氩原子。戴维斯需要像“大海捞针”那样，寻找这些孤独的氩原子。

戴维斯成功了！他确实探测到了太阳的中微子。另外，他还有一个重要的发现，探测到的中微子仅仅是预期数量的三分之一。

继戴维斯的成功之后，物理学家们又建造了第二代中微子探测器，分别位于北美、欧洲和日本的地下。

上世纪70年代末，日本的超级神冈探测器在小柴昌俊的领衔下成立。探测器建立前，他曾与当时中科院高能物理所的唐孝威讨论双方合作时进行研究，因为日本的地质条件太差，而宇宙粒子观测必须在地下不受本底辐射影响的地方进行，他们相约分别申请经费，并且由唐孝威在中国寻找实验场地。

遗憾的是，唐孝威当时在国内申报这一项目未获支持。而小柴昌俊却在19年后，即1998年世界中微子大会上宣布存在大气μ中微子振荡实验结果，他带着研究组经过20年得到三大成果——证实太阳中微子丢失，探测到超新星爆发的中微子，探测到大气μ中微子振荡现象，并给出了中微子振荡的相关参数的可能值。

超级神冈探测器的前身是3000吨级的神冈探测器，本来是小柴昌俊用来寻找质子衰变现象的，后来恰好赶上几十年发生一次的超新星爆发，科学家碰巧探测到超新星中微子，揭示了超新星爆发的机制。日本政府随后将神冈探测器升级为5万吨级的超级神冈探测器，主要目标依旧是寻找质子衰变现象。没想到“意外”获得了诺贝尔奖级别的发现。超级神冈探测器其实就是个巨大的“水罐子”，里面装着5万吨液体作为探测介质，“水”越多，粒子相互作用的机会就越大，捕捉到相互作用的可能性也就越大。

由于戴维斯和小柴昌俊在探测宇宙中微子等方面的贡献，他们共同获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

3．中微子振荡现象

戴维斯测量到的中微子，为什么比预期的要少？科学家们猜测，这或许是因为部分中微子变成其他类型的中微子，这就是所谓的“中微子振荡现象”。

在基本粒子表中，一共有3种中微子。例如，在β衰变中产生的是“电子型反中微子”；除此之外，还有“缪子型中微子”以及“陶子型中微子”。如果太阳中微子由电子型中微子变成其他类型的，我们就能解释太阳中微子的短缺了。当然，如果我们能够探测到所有类型的中微子，中微子其实没有短缺。

在超级神冈实验之前的几十年里，太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象，一直令人困惑不解。1998年，梶田隆章领衔的日本超级神冈实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。如果中微子是没有质量的，那么它在运动中各个维度的速度将保持一致，形成的形态也不会发生变化，反之，若形态发生变化，便可间接证明中微子具有微小的质量。

中微子振荡有几种不同的形式，分别是大气中微子振荡、太阳中微子振荡、反应堆中微子振荡和加速器中微子振荡。2015年的诺贝尔物理学奖，授予阿瑟·麦克唐纳和梶田隆章，就是分别奖励他们在大气中微子振荡、太阳中微子振荡方面所作出的贡献。

在反应堆中微子振荡方面，做得最好的是中国。2012年，位于中国的大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。如果把三中中微子简称为“1”、“2”、“3”，在对振荡的研究中，“1变2”、“2变3”的模式已被阿瑟·麦克唐纳和梶田隆章的实验所证实，最后这“1变3”的第三种振荡之谜，由中国科学家推开大门。在粒子物理实验中，置信度必须达到99.9999%。而中国团队借助自主设计的实验装置，做到了这一点，给振荡几率一个8—9之间的具体数值。该成果入选《科学》杂志当年评选出的科学领域十大突破。

4．方兴未艾的研究

中微子是近年来的研究热门，目前国外正在运行的较大的中微子探测器，包括位于南极冰面下的“冰立方”探测器、地中海海底的“心宿二”中微子望远镜、日本的超级神冈探测器、意大利的格兰萨索国家实验室，以及加拿大萨德伯里中微子观测站。其中一类用来探测自然产生的中微子，一类用来探测核反应堆和加速器产生的中微子。

中国在这一领域虽然起步已晚，但近年来正在不断加快布局，其中包括西藏羊八井的国际宇宙线观测站、大亚湾反应堆的中微子研究项目、四川锦屏山的暗物质研究，并且已经开始产生一些成果。

为什么大家非常关注中微子？这有很多方面的原因，比如说，在12中基本粒子中，中微子占据三席，但它们之间的作用机制一直是个谜。比如说，发现了中微子的振荡和质量，表明粒子物理的标准模型仍有待扩展，而这也将为未来粒子物理的发展指出更多的方向。比如说，标准模型预言正物质和反物质是对称的，但是宇宙中主要是正物质，反物质非常少，大家认为，对中微子振荡，乃至中微子质量的研究，将有助于理解宇宙中物质和反物质为什么是不对称的。或许可以进一步揭示宇宙的起源呢。