中微子“量子漲落”的發現歷程(二)

——三種中微子的特別“風味”

中微子震盪的發現榮獲了諾貝爾物理學獎，基礎性突破性成果解決了中微子物理學長期存在的一個謎團。從1960年代以來，科學家計算了從原子能反應堆釋放的中微子數量，核聚變反應形成了太陽發熱發光的動力之源，他們對測量到的中微子數量感到迷惑，只測量到了相當於計算數量三分之二的中微子，相當於計算數量三分之一的中微子似乎消失了，“失聯”的中微子去到了什麼地方？去哪兒尋找它們？絞盡腦汁的科學家排除一切不可能的因素，比如：理論計算的差錯，從核反應堆或從太陽內部不至於產生這麼多的中微子，遺漏了新的選項。為何在太陽中出現了“迷失的中微子”？原來中微子發生了“身份”轉換，它從一種形態轉變成了另一種形態。

根據粒子物理學標準模型的解釋，中微子有三種類型：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，它們分別對應相應的輕子：電子、比電子質量大和壽命短的μ子、τ子。中微子是自然界最基本的粒子之一，常用符號ν表示，它不帶電，自旋為1/2，它的質量很輕，小於電子質量的百萬分之一，中微子的移動速度接近光速。從太陽內的核反應中僅產生了電子中微子，設想從太陽發出的電子中微子在移動過程中轉變成了μ子中微子或τ子中微子，那麼在地球站點接收到的電子中微子將會發生神秘的“失聯”現象。

——“地宮”內的中微子搜尋

中微子風味的轉變僅是理論的推測，實際的物理檢驗才是“硬道理”，多個國家建造了更大、更復雜的實驗室，巨大的地下探測器日夜執行，科研人員忘記了白天與夜晚的區分，實驗室在很深的地下建造，以最大限度地遮蔽多種噪聲的干擾，比如：太空輻射和環境中的放射性衰變。從數以億計的真假訊號中區分少量的中微子訊號，這十分困難，地下礦井的空氣和探測器材料包含了自然發生的元素衰變現象，這些“雜七雜八”訊號對真正目標的測量產生了干擾。

1996年，超級神岡實驗室投入執行，實驗室建在沿東京西北方向250公里處的一座地下鋅礦，同時，加拿大的薩德伯裡中微子天文臺在渥太華附近的一座鎳礦建造，1999年投入執行。將兩個實驗室的探測資料進行比較和分析，物理學家揭示了中微子的變色龍性質，這一發現為他們贏得了物理諾獎。超級神岡實驗室裝有巨型的探測器，在1000米深的地下建造了一個高和寬各40米的水池子，填充了5萬噸“純淨水”，水池內的水十分純淨，在強度消減一半之前，光束能在水中傳播大約70米，而在強度消減一半之前，光束在普通游泳池只能傳播幾米。11000多個探測器被安裝在水池的頂部、底部和側部，探測器的接收訊號被放大到能探測從超純水中發出的閃射。

大多數中微子直接穿越了地下水池，不留下一絲色彩，但時不時出現了“漏網之魚”，一些箇中微子在穿越水池時撞上水體的原子核或電子，在撞擊過程產生的帶點粒子發出閃射，電子中微子在撞擊後產生了電子，μ子中微子在撞擊後產生了μ子，帶電粒子閃射時發出了微弱藍光，這被稱之為“切倫科夫光”，它是超光速粒子在運動中產生的，卻沒有違背愛因斯坦的狹義相對論原理。沒有什麼物體的運動速度比光在真空中的傳播更快。水下有所不同，光速被下降到最大速度的75%，透過對切倫科夫光中帶點粒子的形狀和強度，科學家判斷出中微子型別，它們從什麼地方發出。

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—解決中微子的“失聯”謎題

在超級神岡實驗室執行的頭兩年，研究人員篩選了大約5000箇中微子訊號，收集的訊號數量比以前的更多，但收集的總數量低於預期，中微子來自宇宙天空的所有方向，當“全速前進”的宇宙射線撞擊大氣分子時，產生了難以計數的“中微子雨”。超級神岡實驗室捕獲了μ子中微子，它們直接來源於在大氣層上方產生的撞擊事件。地下水池的探測器接收了μ子中微子訊號。可以認為探測器接收了“上上下下”各個方向的中微子，不同方向的中微子數量相等，不用考慮地球物質對中微子運動的“抵擋作用”，但似乎產生了地球物質的抵擋作用，在超級水池的兩個方向接收的中微子數量不等，朝向地表的水池面接收了更多的μ子中微子，背向地表的水池面接收了更少的μ子中微子，似乎在背向地表的水池面，μ子中微子在穿越地球時似乎受到了某種阻攔作用。

根據中微子特性，研究人員立刻聯想到μ子中微子在穿越地球時花費了更多時間，期間發生了風味、或形態的轉變， 它們從μ子中微子轉變為τ子中微子。從穿越地球一方接收的μ子中微子數量少於從沒有穿越地球一方接收的μ子中微子數量。從大氣層上方到地表有幾十公里的距離，從地表到地下1000米的水池，水池的上方對應了地表，水池的下方對應了地球另一端，μ子中微子從水池的上方和下方穿越了地球直徑的距離。超級神岡實驗室不能探測τ子中微子，μ子中微子的“失聯”謎題得到了合理解釋。

（編譯：2015-10-8）