中微子是一种电中性、质量极其微小、自旋量子数等于二分之一的基本粒子。中微子在宇宙中的数量惊人，平均每立方厘米约有上百个，与光子的数密度相当。由于中微子几乎不与物质发生相互作用，它可以在整个宇宙空间以接近光速的速度自由传播。尽管人们已经了解了中微子的很多性质，它仍旧是组成物质世界的基本粒子中最神秘的一员。

 

诺贝尔轻子

 

众所周知，中微子的概念最早是由奥地利物理学家泡利引进的。为了解释b衰变过程中的电子能量分布疑难，泡利在1930年底提出了一个标新立异的假设：b衰变的末态应该包含一个在当时的实验条件下无法观测的微小粒子，它随同电子出现并携带走了一部分能量和动量。这个新粒子被泡利称作“中子”。两年之后真正的中子（即质量与质子相当并和质子一道组成原子核的电中性粒子）被英国物理学家查德威克发现。天才的意大利物理学家费米接受了泡利的思想，于1933年建立了描述b衰变和其他弱相互作用过程的有效理论，并把泡利的“中子”改称为“中微子”，以区别查德威克所发现的中子。四年之后，费米的学生马约拉纳指出：中微子很可能不同于其他带电荷的自旋等于二分之一的基本粒子（即通常所谓的狄拉克粒子），其反粒子也许就是它本身。虽然马约拉纳的猜想至今尚未得到实验的证实，但是它得到了大部分基本粒子物理学家的青睐。在诸如基于SO(10)群对称性的大统一理论模型中，中微子自然而然地具有马约拉纳粒子的特性。

 

泡利的中微子假说直到1956年才得到实验的证实。美国科学家科万和瑞尼斯利用核反应堆做实验，首次探测到了反电子中微子，即b衰变过程中出现的那个神秘粒子。反电子中微子被发现之后，意大利科学家澎缇科沃立即意识到：如果中微子是马约拉纳粒子，那么一个反电子中微子在空间自由传播的过程中就可能转化或振荡成一个电子中微子。1962年，另一种被称作m中微子的粒子被利德曼、施瓦茨和斯坦伯格三位科学家在宇宙线中发现。这一重要的实验发现促使日本物理学家坂田昌一和他的合作者随后猜测，带质量的电子中微子和m中微子之间有可能发生混合和振荡。

 

m中微子和2000年在费米实验室被发现的t中微子都是电子中微子的姐妹，它们共同组成了中微子家族并具有相应的反粒子家族。为什么自然界存在三种不同的中微子、三种不同的带电轻子、三种不同的电荷为正三分之二的夸克、三种不同的电荷为负三分之一的夸克？为什么这些基本粒子会呈现“三代”的特征？尽管轻子和夸克在大统一理论中可以联系起来，但物理学家至今还无法完美地解破“三代”之谜。下面的表格总结了轻子的家谱、它们各自的发现者和相应的诺贝尔奖得主（由于每个轻子都具有反粒子，我们在该表格中不区分轻子和反轻子）。然而有关诺贝尔轻子的故事并未完全包括在该表中。例如英国物理学家狄拉克在1928年从理论上预言了正电子（即电子的反粒子）的存在。这一惊世骇俗的预言在1932年被美国科学家安德森的实验证实。狄拉克和安德森分别于1933年和1936年获得了诺贝尔物理学奖。此外，1968年美国科学家戴维斯首次发现了太阳中微子失踪之谜；1987年日本科学家小柴昌骏首次探测到来自超新星爆发的中微子。两人由于各自伟大的实验工作而和另一位美国科学家迦科尼三人共同分享了2002年的诺贝尔物理学奖。

 

轻子及其发现者和诺贝尔奖得主

 

轻子	发现者	诺贝尔奖得主
电子	J.J. Thomson 1897年	J.J. Thomson 1906年
电子中微子	C. Cowan等人 1956年	F. Reines 1995年
m子	J. Street等人 1936年
m中微子	G. Danby等人 1962年	L. Lederman、 M. Schwartz和J. Steinberger 1988年
t子	M. Perl等人 1975年	M. Perl 1995年
t中微子	K. Kodama等人 2000年

 

还有一个真实的故事与上面的表格有关。1995年12月印度物理学家萨尔玛在一篇题为“诺贝尔轻子”的文章中指出：“三个带电轻子（即电子、m子和t子）被发现的年份遵从一个有趣的‘三十九年差’，这也许意味着第四代带电轻子会在2114年现身。”当时我读了萨尔玛的文章后立即意识到他犯了一个低级的算术错误：第四代带电轻子果真存在并遵从‘三十九年差’定理的话，它应该会比萨尔玛的预言早一百年被发现，即2014年而不是2114年。我通过电子邮件提醒萨尔玛注意到他的错误，他回信表达了感谢之意和尴尬之情。如今这个‘三十九年差’规律被我戏称为“萨尔玛—邢”定理。当然，大多数科学家们并不认为自然界存在第四代轻子或夸克。事实上，西欧核子研究中心的精确实验早已表明质量轻微的活性中微子只有三代。

 

中微子振荡

 

倘若中微子具有质量并且它们的质量互不相等，就应该存在中微子混合现象。中微子混合意味着中微子的质量本征态不等于中微子的相互作用本征态，前者描述中微子作为自由粒子在真空中的传播性质，而后者描述中微子与其他粒子发生弱相互作用的性质。中微子混合在数学上可以用三个混合角和三个复相位来描述，一共六个参数。由于我们对中微子质量起源的动力学机制还远远不够了解，只能把这六个参数当作自由变量，并且依靠具体的中微子实验来测量它们。近年来的太阳、大气、核反应堆和加速器中微子振荡实验取得了长足的和突破性的进展，使得物理学家从中提取了若干有关中微子混合角的重要信息。但是最小的中微子混合角和三个复相位依然有待进一步的实验观测。计划中的中国大亚湾核反应堆中微子振荡实验将有助于最终测定或限定最小的中微子混合角，而日本、美国和西欧的各种长基线中微子振荡实验和无中微子的双b衰变实验有可能测量到三个复相位中的一个并限制另外两个。复相位的物理意义在于它们暗示了物质和反物质之间可能存在着不对称性。事实上，天文学家们早已注意到：以地球为圆心、直径大约为一百亿光年的可观测宇宙的确只包含物质而没有反物质。换句话说，我们实际上并没有发现狄拉克曾经想象的“镜像世界”的存在。如何理解宇宙的物质—反物质不对称也是中微子天文学的一个重要课题。

 

中微子振荡是一种奇特的量子现象，可以周期性地把一种类型的中微子转化为另外一种类型。由于中微子混合，从某一弱相互作用过程产生出来的中微子是三个波包（对应三种中微子的质量本征态）的线性组合。当中微子在空间传播时，这些波包会发生建设性的或破坏性的相干，使得最初的中微子类型逐渐消失又重新产生，周而复始。只有在三个波包具有不同质量的前提下，上述量子相干效应才有可能出现。换句话说，中微子振荡的必要条件是中微子具有互不相等的质量并且发生了混合。依照量子力学，实验观测到的是一个粒子本身而不是它的物质波。因而探测中微子利用的是它的弱相互作用的性质而不是它的自由传播的性质。对一个具体的观测事件而言，只有三种可能性：所测量到的是（反）电子中微子，或者是（反）m中微子，或者是（反）t中微子，但绝不是它们的某种线性组合。所以中微子振荡实验旨在探测一种中微子从产生开始传播一段距离之后转化成另一种中微子的概率，或者仍旧保持为原有类型的概率。无论哪种情形，概率的大小都依赖中微子束的能量、传播距离、中微子的质量平方差和混合参数。

 

如果太阳内部核聚变所产生的电子中微子在从太阳传播到地球的旅途中发生了振荡，那么安置在地球上的探测器测量到的太阳中微子数目就会比标准太阳模型所预言的中微子数目少。1968年，戴维斯果然发现了这一奇特的现象，即所谓的太阳中微子失踪之谜。大约三十四年之后，加拿大的SNO实验组利用重水代替普通水造出的契仑柯夫探测器首次获得了太阳（电子）中微子转化成m中微子和t中微子的直接证据，令人信服地说明太阳中微子在其通往地球的路上发生了振荡。日本的核反应堆中微子振荡实验KamLAND也观测到反电子中微子振荡现象，相应的参数空间与来自太阳的电子中微子振荡的参数空间相吻合。另外，1998年日本的超级神冈大气中微子实验发现来自大气层的m中微子在从地球一侧通过地球进入另一侧的探测器的过程中数目减少，即所谓的大气中微子失踪之谜。进一步的实验结果表明m中微子发生了振荡，主要转化成为探测器所无法测量的t中微子。这一点随后也得到了日本的加速器中微子振荡实验K2K的测量结果的支持。超级神冈实验开启了中微子物理学的新纪元并使之成为基本粒子物理学、天体物理学和宇宙学的最前沿热点课题之一：从1998年至今，全世界有关中微子研究的实验和理论文章数目接近了一万篇！

 

中微子望远镜

 

宇宙的高能信使包括稳定的基本粒子如质子、光子和中微子。由于质子是带电粒子，它在宇宙空间的传播会受到磁场的影响而改变方向。极高能的质子也会和宇宙的微波背景发生反应，从而损失能量和它所携带的其他原始信息。来自宇宙遥远深处的超高能光子会在传播过程中被背景吸收，因此只有能量相对较低的光子信使才有可能达到地球。与质子和光子不同，超高能中微子可能产生于活动星系核AGNs和伽马射线爆GRBs等遥远的天体源并在宇宙空间几乎不受干扰地穿行。由于中微子不携带电荷也不参与电磁相互作用，它在空间的传播不受星际磁场的影响，总是以直线行进，而且不会被宇宙微波背景吸收。但是正因为中微子几乎不与物质发生相互作用，它们很难被探测到。为了克服诸如此类的困难，需要在地球上建立超大型的探测装置，即中微子望远镜，以便测量那些来自宇宙深处、数量相当稀少的超高能中微子，并确定它们所对应的天体源方位。

 

一个高能中微子望远镜必须满足下面的要求：首先，它要足够庞大，从而使得来自银河系内外的稀有中微子在经过望远镜时可以被有效地探测；其次，它要足够透明，以便于观察中微子与探测器的物质发生相互作用后所产生的光线在三维分布的光学传感器阵列中的传播径迹；第三，它要足够黑暗，以避免自然光的干扰；第四，它要足够深，最好安置在地表下几公里的深处，以屏蔽来自宇宙线的污染；最后，它要足够经济，这样它才能在科学预算允许的范围内被建造出来。科学家们发现，满足上述要求的中微子望远镜可以建在冰层的深处或者黑暗的海底和湖底。目前世界上建在水中的中微子望远镜包括BAIKAL（贝加尔湖）、ANTARES、NEMO和NESTOR（地中海），建在冰下的中微子望远镜则有AMANDA和更大的IceCube（南极）。IceCube探测器是一个立方公里的庞然大物，置于南极冰层下一千四百公里至两千四百公里之处，可以测量来自最遥远天体源的超高能中微子。

 

由于混合和振荡，超高能中微子在从宇宙深处到达地球的漫长旅途中会发生多次类型转化。天文学家们相信大多数超高能中微子起源于p介子的衰变链，而p介子是由极高能的质子-质子对撞或质子-光子对撞产生的。基于这一机制，原初的中微子束中电子中微子、m中微子和t中微子的数量之比为1：2：0。当它们到达地球的探测器时，这个比值会由于中微子振荡效应而演变成1：1：1。也就是说，尽管最初的中微子束不含有t中微子，中微子望远镜却可以探测到和电子中微子或m中微子数量相当的t中微子。这一奇妙的理论预言如果能够被未来的中微子望远镜实验证实的话，那将是中微子天文学的重大进展。

 

最后我们以IceCube的探测器为例解释一下中微子望远镜是如何探测中微子事例的。前面已经提到，IceCube实验利用了南极冰层下大范围的纯净透明的自然冰作为探测器的载体，依照一定的间距布置了大量光学感应器，用以观测超高能中微子进入探测器后与组成冰的原子所发生的反应。如果一个m中微子撞击到冰原子上，将会有一个带电的m子通过弱相互作用而产生出来。在极度透明的冰中，m子在行进过程中会发出可见的蓝光，从而被光学感应器记录下来。由于从m子的路径可以反推出m中微子的入射方向，科学家们进而就会判断出m中微子究竟来自哪个遥远的天体源。简而言之，中微子望远镜的探测原理就是通过探测光信号来重建带电轻子的径迹，从而推断出相应的超高能中微子从何而来、能量大小和它们所携带的其他物理信息。

 

 

尽管每时每刻都有成千上万的中微子穿过我们的身体，我们却感觉不到它们的存在。中微子就是如此奇妙和如此令人难以琢磨。中微子物理学和中微子宇宙学的昨天和今天充满了难解之谜和非凡的挑战，但是一个又一个神话般的发现却始终激动人心。我们有理由相信，中微子天文学的明天将会更加令人叹为观止。

 

（邢志忠，本文已经发表在《科学世界》2006年9月号）

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