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【中国科学报】扑朔迷离的中微子
2016-04-10|文章来源: |浏览次数: |【
 

  ■曹俊 

  最近,我国大亚湾中微子实验测得了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱,发现与理论预期存在两处偏差,这为未来的反应堆中微子实验提供了重要的测量数据,也激起了很多科学家和科学媒体关于惰性中微子的讨论。

  为何要研究中微子 

  研究中微子有可能揭示许多未解的物理之谜,包括宇宙的历史、形成与未来。在宇宙大爆炸时期,中微子是产生的最多的粒子之一。现今仍大量产生于恒星内部的核反应过程和宇宙射线撞击地球大气层过程。

  中微子也是核反应堆发电时发射的副产物,这使科学家可以对其进行可控的研究。事实上,在20世纪50年代,人们正是在反应堆旁首次探测到了中微子。中微子因为性质极不活跃,当时曾被认为不可能被探测到。自那之后,反应堆实验在揭示中微子振荡(即电子、缪子、陶子三种中微子之间的相互转换)以及其他重要属性中起了至关重要的作用。2015年诺贝尔物理学奖授予了十几年前发现太阳中微子振荡和大气中微子振荡的两位科学家,而2012年,我国大亚湾中微子实验利用反应堆发现了第三种中微子振荡,去年被授予基础物理学突破奖。

  反应堆实验的一个关键因素是需要知道反应堆总共发射了多少个中微子(称为通量)以及不同能量的中微子各占多少(称为能谱)。在早期的研究中,科学家们根据对反应堆中复杂的裂变过程的理解,通过计算或其他间接方法来估计这些数值,对理论模型具有很强的依赖性。

  大亚湾实验测得的反应堆中微子能谱有一个意外的特征:在能量5百万电子伏特(MeV)左右,数据超出理论预期10%,对应4倍标准偏差。另外两个实验也得到了类似的结论,但其测量精度不如大亚湾。此外,关于通量的测量也显示,反应堆中微子的总产额比某些模型的预期值低6%。这个结果与以往实验的测量结果一致。这种现象被称作“反应堆中微子反常”。该现象可能来自理论模型的缺陷,也有很多人认为可能是由惰性中微子振荡引起的,后者是一个理论上假设的粒子。“反应堆中微子反常”是否存在是一个未解之谜。

  关于中微子的研究总是扑朔迷离 

  上世纪70年代初发现实验探测到太阳中微子仅为理论预期的三分之一,大部分中微子不知所终,这困扰科学界达四十年之久,被称为“太阳中微子失踪之谜”。80年代发现大气中微子也比预期少,称为“大气中微子反常”。这两个反常现象导致了中微子振荡的发现,去年被授予诺贝尔物理学奖。

  90年代美国洛斯阿拉莫斯实验室LSND实验利用加速器产生中微子,发现中微子飞行30米后转化成了其他中微子,但无法用标准的中微子振荡来解释,称为“LSND反常”。为了解释这个反常现象,有科学家提出,存在一种非常特别的中微子,叫惰性中微子,它只参与振荡,不参与弱相互作用。为了证实或者否定LSND的实验现象,美国费米实验室又专门做了一个实验,叫MiniBooNE。结果不但没有解决问题,反而又发现探测到的中微子中能量较低的一部分比预期多。

  2011年,法国人重新处理了20年前测的核素贝塔谱数据,说以前算的反应堆中微子流强算低了3%。以前总共做过十几个近距离的反应堆中微子实验,与以前的流强计算是一致的,没有看到振荡。按现在的中微子振荡知识,也不应该看到振荡。现在说原来流强算低了3%,也就是说原来的十几个实验都看到了反应堆中微子丢失,称之为“反应堆中微子反常”,然后紧跟又发了一篇论文,说需要“惰性中微子”才能解释。

  至此,中微子的4种常用研究手段,太阳中微子、大气中微子、加速器中微子、反应堆中微子,统统出现了反常现象,只不过有的已获得了诺贝尔奖,有的则被广为质疑。

  中微子探测困难,假信号干扰多,因此容易出错。2011年费米实验室的MINOS实验称有98%的把握,证明正反中微子的振荡不一样,第二年获得更多数据后,自己发现是统计涨落造成的假现象。以前还有一些实验,声称探测到中微子的质量,声称发现中微子是自己的反粒子等等,后来都被其他实验否定。

  最有名的事件是2011年意大利OPERA声称发现中微子超光速,不仅让科学家议论纷纷,也在普罗大众中掀起了讨论中微子、相对论,畅想时光倒流的热潮。相对论是一百年来经过千锤百炼的现代物理学支柱,而中微子实验通常极端困难,不容易有干净利落的结果,因此,诺贝尔物理学奖得主史蒂文·温伯格讥讽道: “这就像有人说,在花园深处有一些小仙女,但我们只能在漆黑和有浓雾的夜晚才能看到。”惰性中微子从实验证据上看也许不太有力,但仍然有相当多的科学家对此非常热衷,因为从理论上说它很有吸引力。

  中微子质量非常非常小,事实我们还没有实验直接测量到,只是通过中微子振荡现象证明了它有质量,测出了不同中微子之间的质量差别。这么小的质量,在理论上解释是困难的。为了比较自然地解释中微子质量为何如此之小,很多研究中微子的科学家,甚至是大部分,都比较相信一种叫“跷跷板机制”的理论。在这个理论中,存在很重的尚未发现的中微子。我们现在知道,可见的物质只占宇宙总能量的5%,暗物质占27%,其他都是暗能量。但暗物质粒子还没有被找到,暗能量的本质则更加不清楚。如果存在很重的中微子,就很可能是暗物质的组成成分。也有科学家认为质量稍微轻一点,但比常规的三种中微子重的惰性中微子,也可能是所谓的“温暗物质”。不管怎么样,理论家都希望存在新种类的中微子。既然可能存在这些新种类的中微子,为什么不能存在惰性中微子呢?或者,它们本来就是惰性中微子?

  理论和假设需要实验来检验 

  不管怎样,这些理论和假设都需要实验来检验。很多新的实验正在进行或规划中。一种办法就是利用反应堆。大亚湾实验看到的是中微子跟模型预期相比丢了6%。如果在离反应堆只有几米远的地方放置探测器测量,然后在远一点测量,进行比较,就可以发现反应堆中微子是不是真的丢失了,还是模型有错。国际上有七八个实验方案,有的已经在进行,有的正在研制探测器,比如美国的Prospect实验和NuLat实验,法国的Nucifer实验和Stereo实验,比利时的SOLID实验,俄罗斯的Neutrino4实验和Posseidon实验,韩国实验等。

  第二种办法是利用加速器,也是在离加速器很近的地方放置探测器,美国费米实验室有两个实验正在研究。还有一种办法就是把高强度的放射源放到已有的大型中微子探测器旁边,放射源产生中微子,这样可以研究是否有惰性中微子参加了振荡。意大利的Borexino实验即将进行这样的实验。

  正在建设中的我国江门中微子实验将在地下700米建造一个2万吨的探测器,也可以用来研究惰性中微子。比如,将意大利使用的高强度的放射源放到直径35米的探测器,如果LSND看到的信号是对的,就能看到放射源发出的中微子在探测器内振荡,可以看到完整的振荡图像,而不是一个孤零零的数字,干净地证明它的存在。如果前面的实验在2020年江门实验开始运行时还没有得出结论,或者只给出模糊的结论,用江门的探测器来寻找惰性中微子将是一个值得期待的实验。

  (作者系中科院高能物理研究所研究员) 

  《中国科学报》 (2016-04-08 第3版 科普)

 
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