【連載】趣說中微子（六）

2020-12-23 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。

太陽系外的中微子

日本的小柴昌俊（M. Koshiba）在20世紀70年代末提出進行一項探測粒子物理學一個基本問題——質子衰變的實驗。探測器建在日本岐阜縣神岡礦山一個深1000米的廢棄砷礦中，被稱為神岡實驗（KamiokaNDE）。該實驗裝置1982年開始建設，1983年建成，由裝有3000噸純淨的水圓柱形容器和1000隻由日本濱松公司特別研製的、直徑為20英寸的光電倍增管構成，這些光電倍增管探測靈敏度極高，受光面積為當時其他探測器使用的5英寸光電倍增管的16倍，對提高探測微弱的契倫科夫光輻射信號的精度十分有利。

Kamiokande探測器

1985年，探測器進行了第一次擴建，命名為神岡II（KamiokaNDE-II），探測靈敏度大大提高。神岡探測器最初探測質子衰變的目標一直沒有實現，但因在探測質子衰變的過程中，需要去除中微子的影響，中微子可能與水中的氫和氧原子核發生反應而產生一個電子，這個電子可引起微弱的切倫科夫輻射閃光（高速帶電粒子在介質中穿行時，如果粒子速度大於介質中的光速，會產生具有明顯方向性和強偏振等特點的特殊光輻射），探測到這種微弱的閃光就可以證實中微子的存在，可以用於探測來自太陽、地球大氣和超新星爆發產生的中微子。

小柴昌俊

小柴昌俊算是非常幸運的，在他即將退休之時，銀河系的鄰近星系大麥哲倫雲內有一顆恆星走到了生命的終點，它的臨終掙扎就是超新星SN1987A的爆發，這是400年來地球能觀測到的最明亮的超新星，是幾乎要200年左右才可能有幸遇到，對於探測超新星爆發的中微子來說是一次絕好的機會。

1987年2月23日，幾大天文臺都獲得了SN1987A開始爆發的信息，科學家們馬上檢查了位於地下的中微子探測器，結果令人驚詫，真有幾個探測器接收到了來自SN1987A爆發時產生的總共24個中微子。小柴昌俊的神岡探測器實際上還處於試運行狀態，卻意外探測到了11個，美國的IMB探測到8個，另有一個俄國Baksan實驗探測到5個。

宇宙中存在的大量星際塵埃對可見光和電磁波的遮蔽作用妨礙了人類對宇宙奧秘的探測。而中微子可穿過大量物質卻幾乎不發生任何反應，從而帶來了宇宙深處的中微子信息。科學家們僅從SN1987A爆發時記錄下來的24個中微子就可推算出這顆超新星爆發的總能量和爆發後形成的中子星的直徑與質量。這是人類首次探測到來自太陽系以外的中微子，意義十分重大，自此，天文學的一個新領域－－中微子天文學誕生了。小柴昌俊因探測到來自超新星爆發的中微子，與發現太陽中微子失蹤的戴維斯，以及發現宇宙X射線源的賈科尼（R. Giacconi）分享了2002年諾貝爾物理學獎。戴維斯獲得諾貝爾獎時已88歲高齡，是歷史上最年長的獲獎者。

小柴昌俊的學生梶田隆章（T. Kajita）1988年在分析數據時發現，神岡探測器測到的大氣中微子也比理論所預期的要少。與此同時，美國俄亥俄州的IMB實驗（Irvine-Michigan-Brookhaven detector）得到了同樣的測量結果。IMB探測器的尺寸為17×17.5×23米，四周分布有2048個直徑5英寸的光電倍增管，內部充滿超純淨水。IMB最初的研究目標也是探測質子衰變，沒想到卻因探測到了來自超新星SN1987A爆發的中微子而成了名。對於這被稱之為「大氣中微子反常」的現象，曾有人說他們可能計算有誤。實際上科學家們想到過是否可以用中微子振蕩來解釋，但受實驗條件所限，當時還無法給出確切定論。

一名潛水員在IMB探測器中

大氣中微子振蕩

由於神岡探測器上取得的優異成果，20世紀90年代，日本政府批准小柴昌俊建造一個規模更大的新探測器，命名為超級神岡探測器（Super-Kamiokande）。它1991年開始建造，1996年完成，圓柱形的容器高達41.4米，直徑39.3米，裝有50000噸高純度水和13000個經過改進，性能更好的20英寸光電倍增管，這些管子甚至能準確測出單個的光子。

超級神岡探測器內部：牆上為直徑20英寸的光電倍增管，檢修探測器需劃小船

1996年，超級神岡探測器開始取數。它仍通過捕捉切倫科夫光輻射來探測中微子，除了太陽中微子，超級神岡實驗還可以探測大氣中微子，以及加速器中微子等多種來源的中微子信號。大氣中微子是宇宙線轟擊地球上層大氣的產物，分別以電子中微子和μ 子中微子兩種類型出現。中微子可以穿過地球，而超級神岡探測器可以區分由上方大氣層產生自上而下穿過的中微子，以及由地球另一端大氣層產生的自下而上穿過的中微子。基於超級神岡探測器驚人的規模，即使扣除發生在探測器邊緣那些質量不太理想的事例，實際獲得的數據量比神岡探測器增加了不止20倍。超級神岡不僅能夠測量μ 子中微子的丟失，也有足夠的數據可以顯示它的丟失比例隨飛行距離的變化，而這正是中微子振蕩的關鍵特徵。

1998年6月5日，在發現「大氣中微子反常」現象10年之後，梶田隆章在國際中微子大會上發布了超級神岡實驗的測量結果，給出了大氣中微子存在振蕩的首個確切證據。

日、美、韓三國科學家組成的國際研究組在1998年6月12日出版的美國《科學》雜誌上發布了的報告，宣布探測到中微子有靜止質量。報告說，他們在535天的觀測中捕獲了256個從大氣層進入超級神岡探測器的μ 子中微子，是理論計算值的60%，而探測到的從地球背面大氣層中產生、穿過地球的中微子有139個，只是理論計算值的一半。據此推斷，中微子在通過大氣和穿過地球時，一部分發生了振蕩，即從一種形態轉為另一種，變為探測器檢測不到的τ子中微子了。根據量子物理的法則，粒子之間的相互轉化只有在其具有靜止質量的情況下才有可能發生，這只能證明中微子具有靜止質量。

這一論斷在世界科學界引起高度關注，如果這一點被證實，理論物理的研究體系將受到巨大衝擊。為了驗證中微子有靜止質量這一發現，科學家計劃進行人工發射和接收中微子的實驗，觀察中微子經過遠距離傳輸後發生的變化，以推斷中微子是否有質量。這項實驗被稱為K2K，即日本高能加速器研究機構（KEK）到神岡（Kamiokande）的長基線中微子振蕩實驗。

科學家們在KEK使用12GeV質子同步加速器PS（Proton Synchrotron）的強質子束流轟擊鋁靶後產生大量π介子。π介子經聚焦後衰變成μ 子和中微子，產生的中微子向250公裡外的超級神岡探測器方向發射。實驗自1999年開始運行，超級神岡探測器不負眾望，在中微子發射之後0.00083秒時檢測到了來自筑波科學城方向中微子，因此可以斷定，它們正是PS加速器發出的。這是人類首次在如此遠的距離內觀測到人造粒子。在接下來的2年中，K2K實驗共檢測到56個來自KEK的中微子，而理論預期是80個。加速器中微子的丟失從另一個角度進一步證實了超級神岡實驗發現的大氣中微子振蕩現象。

K2K實驗示意圖

超級神岡還有個故事，2001年11月12日超級神岡探測器發生了驚險的一幕，在探測器檢修後重新注水的過程中，忽然有一個光電倍增管爆裂了。由於光電倍增管是電真空器件，水湧入真空後形成激波。有6000個光電倍增管在激波的衝擊下發生連鎖反應相繼爆裂，整個中微子研究界都被此震驚，要知道它們每個價值3000美元啊，國際上類似的實驗裝置都加緊研究如何採取措施預防發生這樣的災難。超級神岡的工作人員將未損壞的光電倍增管重新進行排列並加上保護殼，防止再發生連鎖損壞，探測器暫時恢復了部分工作能力。2005年7月至2006年6月，6000隻新的光電倍增管終於全部重新安裝完成。超級神岡探測器之後在大氣中微子、太陽中微子研究中做出了很多重要的貢獻。

精彩後續，靜待明日~

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