【連載】趣說中微子（七）

2020-12-24 中科院高能所

從泡利提出中微子概念至今已有80餘年，在中微子假說的提出、中微子的發現及研究中微子的過程中一波九折，其中有不少很有趣的故事，使本來就像幽靈的中微子顯得更加神秘。

第三種中微子

美國加利福尼亞大學的保羅內（V. Paolone）和費米國家實驗室的倫德博格（B. Lundberg）1994年提出了建造「τ子中微子直接觀測器」的構想。1996年，τ子中微子探測器在費米國家實驗室建成，將大型質子反質子對撞機Tevatron的800GeV高能質子流用三條束線從主注入器傳送出來，去撞擊用核乳膠與夾層鐵板構成的中微子靶和探測器。在靶中產生的次級衰變反應中會產生τ子和τ子中微子，τ子中微子與核乳膠相互作用會產生帶負電荷的τ子（τ-），即τ子中微子的反粒子。τ-的壽命極短，約10-13 秒，且從產生到衰變的路徑只有幾十微米到幾毫米，但由於核乳膠的解析度為0.5微米，完全能記錄下它的徑跡。

Tevatron引向τ子中微子探測器的束線

從1997年起，50餘位來自美國、日本、希臘和韓國科學家組成的DONUT實驗組在費米實驗室進行「捕捉」τ子中微子的實驗。科學家們用3年時間從靶上獲取的600多萬個粒子軌跡中鑑定出了4個表徵τ輕子存在和衰變的痕跡，這也是表明τ子中微子存在的關鍵線索。τ輕子的痕跡在計算機中重建形成三維圖像，其主要特徵就是其軌跡裡有個結，這正是τ輕子在形成後迅速衰變的表現。據估算，幾十萬億個τ中微子中只有1個與靶中的鐵原子核相互作用並生成一個τ輕子。由此，科學家們第一次找到了τ子中微子存在的直接證據。2000年7月21日，費米國家實驗室宣布了這一具有裡程碑意義的成果。

歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機LEP上的實驗說明中微子有三種類型。至此，自然界存在的三種類型的中微子已全部找到，完善了標準模型中三代中微子的框架。

破解太陽中微子失蹤之謎

加拿大的薩德伯裡中微子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory，縮寫為SNO）1999年接過了太陽中微子探測的接力棒。SNO繼承了霍姆斯塔克實驗的傳統，將探測器建在安大略省薩德伯裡附近一個2100米深的礦井中。但他們使用了新的中微子探測方法。這種探測思路是美籍華人物理學家陳華生（Hebert Hwascn Chen）1984年提出的，用重水代替探測器中的高純淨水，記錄高速粒子通過重水時發出的切倫科夫光輻射，就可以同時探測三種中微子，這樣就可以探測出太陽中微子是真的丟了，還是通過振蕩變成了其它中微子。以前的實驗只能探測一種中微子，例如氯俘獲、鎵俘獲只對電子中微子敏感，純淨水中能探測到電子中微子，但對另兩種中微子僅有一定的敏感性。

SNO也採用水和光電倍增管制作探測器，只不過充滿直徑12米有機玻璃球形容器的是重水。關鍵問題是重水非常昂貴，幸虧加拿大擁有得天獨厚的條件，它的商用核電站是國際上唯一採用重水堆技術路線的核電站，SNO得以順利從核電公司借到了1000噸，價值約100億人民幣的重水。球形容器環壁安裝了用於探測切倫科夫輻射光的9600個光電倍增管。整個探測器浸泡在30米高的裝滿普通水的圓柱形容器中。

薩德伯裡中微子探測器

SNO有不同的反應探測模式，既有隻對電子中微子敏感的探測模式，也有對三種中微子都敏感的探測模式。1999年SNO開始運行時只分析了可靠性更高的對電子中微子敏感的模式，觀測到的電子中微子數量大約是標準太陽模型預言值的三分之一，這與戴維斯的霍姆斯塔克等探測器的實驗結果一致。由於超級神岡探測器除了對電子中微子敏感，對其它類型的中微子也有一定的敏感性，所以觀測到的中微子數目約超過理論預期值的一半。科學家們認為，如果標準模型是正確的，則SNO的實驗結果應與超級神岡探測器的一致，即來自太陽的中微子都應是電子中微子，可結果並非如此。

麥克唐納（A.B. McDonald）領導的實驗組綜合了SNO和超級神岡的實驗數據，確定了來自太陽的電子中微子數量，還確定了三種類型中微子的總量，所獲結果與太陽模型預言的中微子數相符，其中電子中微子佔所有中微子總數的三分之一。SNO實驗結果表明戴維斯的實驗沒有錯，天體物理學家對太陽中微子的計算也沒有錯。SNO實驗就這樣令人信服地證明了太陽中心核聚變所產生的電子中微子的確發生了振蕩，地球探測器觀測到的電子中微子數量只佔太陽中微子總數的三分之一，但是丟失的電子中微子並沒有「消失」，只是在電子中微子從太陽核心飛出的過程中，會轉變成其它兩種中微子：難以探測的μ 子中微子和τ子中微子。SNO實驗組於2001年6月18日宣布了激動人心的消息：失蹤的太陽中微子找到了，太陽中微子從太陽核心產生後部分轉換成了其它中微子——發生了振蕩。

戴維斯的實驗裝置只能探測到電子中微子而無法探測其它兩種，因此他探測到的中微子數量只有計算值的三分之一。所以，並不是電子中微子消失了，而是它變成了另一種當時還沒有能力探測的其它中微子而已。戴維斯的實驗沒有錯，天體物理學家對太陽中微子的計算也沒有錯。

按照粒子物理標準模型的預測，中微子沒有質量也不會發生振蕩，發現中微子振蕩和質量的意義特別重大，具有劃時代的意義。這是目前唯一直接超出標準模型的實驗結果，揭示了微觀世界一個全新的規律，表明粒子物理的標準模型有待擴展甚至突破，現有的理論物理體系受到巨大衝擊，該項成果對宇宙和天體的起源與演化也有重大影響。

梶田隆章與麥克唐納因發現中微子振蕩及證實中微子有質量獲2015年諾貝爾物理學獎。可惜最早提出重水探測中微子思路的陳華生未能看到SNO實驗的成功，他1987年因白血病去世，年僅45歲。

SNO的實驗結果很快被另一個實驗所確認，由鈴木厚人（A. Suzuki）領導的KamLAND實驗組成功地觀測到長基線（平均為180公裡）反應堆中微子振蕩。KamLAND探測器建在神岡實驗1000米深礦井的空場地中，1997年開始建造。由於中微子在液體閃爍體中反應引起的閃爍光遠強於切倫科夫光，KamLAND採用1000噸液體閃爍體代替純水作為探測介質，希望以更高的精度來捕捉中微子。其所用的液體閃爍體注入特殊薄膜製成的直徑13米的氣球中，氣球裝入直徑18米，體積為3000立方米的不鏽鋼球形罐。罐內環壁安裝了1900支超級神岡改良後的光電倍增管，直徑達20英寸（有效面積17英寸），球形罐外側由一個純水罐包圍，這裡也設置了20英寸的光電倍增管。KamLAND可測量電子反中微子在探測器內發生反應產生的兩次連續的信號，即正電子快信號和中子慢信號，並確定其在氣球內的位置。

KamLAND探測器的球形罐及內部構造

KamLAND實驗探測的並不是太陽中微子，而是日本及韓國20多個核電站反應堆產生核反應所釋放出來的反電子中微子。探測器從2002年1月起開始運行，實驗結果表明來自核反應堆的反電子中微子在到達相距約180公裡的探測器後觀測到的事例只有預期值的60%。2002年12月6日，中國科學家與日本、美國同行同時宣布了實驗結果：KamLAND發現核反應堆中產生的中微子缺失，這意味著反應堆中產生的中微子發生了振蕩，變成了另一種沒有被探測到的中微子。

這項實驗成果的重大意義在於：在一種全新的人工中微子源中發現了中微子消失，且其特性與太陽中微子消失相同，從而最終確認太陽中微子發生了振蕩，排除了對太陽和大氣中微子消失的其他解釋。這是國際上首次用人工中微子源證實太陽中微子振蕩現象，同時也首次定量給出了太陽中微子振蕩關鍵參數的唯一解，驗證了標準太陽模型是正確的，得出了中微子質量不為零的肯定結論。

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