中微子、CP破壞,這些中學生提的問題你看得懂嗎?

（原標題：中微子、CP破壞，這些中學生向科學家提的問題你看得懂嗎？）

澎湃新聞記者 虞涵棋

「我們知道K介子和B介子實驗發現了CP破壞，您剛才提到中微子振蕩也會產生CP破壞，這兩者之間是否存在某種關聯？」

這個問題來自北京陳經綸中學的一名學生，提向美國加州大學伯克利分校物理系教授陸錦標，原文為英語。

CP破壞是粒子物理中的一個術語，說的是在弱相互作用下宇稱不守恆。楊振寧和李政道在1957年獲得諾貝爾物理學獎的成果，即與此相關。它能夠幫助解釋，為什麼我們的宇宙是由正物質而非反物質統治。

11月17日上午，陸錦標和中科院高能物理研究所所長王貽芳在北京作了有關中微子物理的報告，並和現場的學生對話互動。一位是美國科學院院士，一位是中國科學院院士，他們曾在深圳附近的大亞灣合作主持了中微子實驗，成功探測到第三種中微子振蕩模式。憑此成就，他們共享價值100萬美元的2019未來科學大獎「物質科學獎」。

美國加州大學伯克利分校物理系教授陸錦標 澎湃新聞記者 孫懿贇 圖

中微子是組成自然界的基本粒子之一，質量非常小，不帶電，只參與弱相互作用，被稱為宇宙間的「隱身人」，每秒鐘都有億萬個中微子穿透我們的身體。因此，探測這種粒子充滿挑戰，與中微子相關的研究成果多次摘得諾貝爾獎。

太陽中微子失蹤之謎曾是物理學界的一樁懸案。簡單來說，科學家發現太陽產生的中微子的流量只有理論模型的三分之一。是測量結果有誤嗎？後來，科學家發現中微子共有三種，它們之間會相互轉換，稱作「中微子振蕩」。前兩種轉換的模式先後得到實驗驗證，第三種轉換（θ13）發生的概率很小，因而也最難探測。

大亞灣實驗以大亞灣核電站為中微子源，以天然山體為噪音屏障，在2012年在國際上搶先補上了這最後一塊拼圖。該實驗公認是中國在基礎物理方面最重要的成果之一，也是中方主導的國際可言科研合作的典範。

不過，中微子仍有許多有趣的未知？中微子和它的反物質反中微子是否一體？中微子是否能解釋為何宇宙中的正物質多於反物質？這些問題的答案都足以顛覆人類的世界觀。

陸錦標現在演講中介紹了中微子概念和探測中微子振蕩的基本原理，王貽芳則詳細講述了大亞灣中微子實驗中克服的技術挑戰。他也現場為大亞灣項目的升級版——未來的江門中微子實驗打了廣告，希望熱愛科學的年輕一代加入其中。

中科院高能物理研究所所長王貽芳 澎湃新聞記者 孫懿贇 圖

以下為澎湃新聞節選並翻譯的部分對話。

學生：我們現在也在學習數理化生等課程，做出新的發現好像越來越難了。未來該如何做出新的發現？這些發現又如何應用，讓更多人獲益？（英文提問）

陸錦標：我在中學的時候想以後要做什麼，我的老師就告訴我，以後不要做原子物理，也不要做天文物理，也不要做粒子物理，他說，全部的問題都已經解決了，這三個領域你基本上沒有東西可以做。但現在回頭看，一樣看到過去的七十年裡，這些領域也有很多發現。看看諾貝爾獎有多少是頒給這些領域的，就可以找到答案。所以我給你的答案就是，不要擔心沒有問題。就像牛頓說的，我們沒有發現的東西就像大海一樣，看我們的想像力有多好，運氣有多好。

學生：是否可能有第四種中微子振蕩？（英文提問）

陸錦標：假如宇宙中只有三種中微子，那理論上只能有三種不同的中微子振蕩。但問題是只有三類嗎？中微子振蕩說明中微子有質量，也應該像電子一樣有兩個態，但我們現在沒有看到右旋的中微子。理論上可能有新的中微子振蕩，但不知道怎麼去做這樣的實驗。

學生：我們知道K介子和B介子實驗發現了CP破壞，您剛才提到中微子振蕩也會產生CP破壞，這兩者之間是否存在某種關聯？（英文提問）

陸錦標：你提的是很好的問題，因為你提的問題我們現在基本上沒有答案。實驗上K介子和B介子是有CP上的破壞，我們現在的理解是夸克的CP破壞和中微子的CP破壞是獨立的。當然，也許在座的有些同學將來可以找到方案，把這兩類不同的CP破壞聯繫在一起，但要怎麼樣做，現在還不知道。

學生：質量是如何和希格斯玻色子聯繫起來的？希格斯粒子有什麼意義？

陸錦標：這也是個很重要的問題。粒子物理裡有標準模型，粒子在空間裡飛行的時候，就會和希格斯場有作用，它們的作用大小，就決定了它們有多重。一個很簡單的理解方法，就是看電子在經過物質時候的質量效應。所以我們看到粒子和它附近的場景的作用，是可以產生或改變質量的。

學生：人類是如何發現暗物質的，暗物質又是如何對人類產生影響的？

王貽芳：人類發現暗物質已經幾十年了，一開始從引力相互作用中發現的，現在應該說有相當多的證據是依賴天文觀測，在我們粒子物理的實驗室中還沒有看到暗物質。這也是下面我們要面臨的一個最根本的問題。天文觀測的暗物質和我們粒子物理到底是什麼關係？現在還不知道，我們做了地面、地下、加速器很多實驗去找，都沒有找到。未來有待在座的年輕人去解決。

暗物質目前和我們的生活還沒有什麼關係，但理解比正常物質還要多的暗物質在宇宙當中到底是怎麼回事，是非常重要的。作為一個好奇的人，應該希望這個問題能得到解決。

學生：您的中微子研究對粒子物理的未來有什麼影響？您怎麼展望粒子物理的未來？

王貽芳：粒子物理目前兩個最重要的前沿，或者說熱點（不一定前沿和熱點就是未來發展的唯一方向）就是中微子和希格斯粒子。這兩個都給我們帶來了相當程度的困惑和問題。這兩個問題不解決的話，我們沒有辦法把標準模型很清楚地描述出來。另外，我們也知道標準模型有一些問題，我們有足夠的證據證明這不是一個終極理論，有超出標準模型的新物理。所以，下一步就是找到一個窗口來解決這些困惑，找出超出標準模型的理論框架和決定性證據。

這是未來努力的方向，至於哪個辦法絕對正確，沒有人知道，都在試。我們在做我們的中微子研究，國際上還有其他人在做其他的中微子研究，希格斯研究國際上也有各種各樣的方案，包括我們提出的環型正負電子對撞機的方案，國際上也有直線對撞機的方案，歐洲核子中心也有環型電子對撞機方案，當然也有質子對撞機、繆子對撞機方案等，最後應該是證據說話，看哪個方向做出決定性的成果，就是正確的方向。

從國家的角度上說也可能選擇錯誤的方向，比如過去美國在SSC（超級超導對撞機）上就做了一個錯誤的選擇。我相信中國在粒子物理方面應該也可以做出重大的成就，中微子和希格斯粒子兩個方向同時發力，是我們應該做的。

學生：您的研究發現了中微子的第三種振蕩形式，它表示中微子可能具有損壞宇稱與正反粒子聯合對稱性，也就是CP性，想問下它是如何影響CP性？

王貽芳：宇宙中物質與反物質的不對稱性，需要有CP破壞。在標準模型中，夸克的CP破壞已經被實驗發現和證實，這個CP破壞幅度太小，不足以解釋為什麼我們現在的宇宙幾乎100%都是物質，幾乎沒有反物質，這需要一個比較大的CP破壞。標準模型給不出這個來。

我們下一步就希望在中微子振蕩中給出這個CP破壞。中微子振蕩原則上是可以給出來的，但依賴於很多參數。這些參數必須足夠大。使得最後能有一個大的CP破壞。其中一個破壞就叫做CP破壞的相角。在實驗測量中，這個相角永遠和θ13聯合出現的，兩個相乘在一起。實驗看到的效果是θ13乘以CP破壞的相角。所以你可以想像如果θ13等於0的話，CP相角永遠測不出來。

最終要得到一個足夠大的CP破壞，它和所有中微子振蕩的參數都是有關的。目前從實驗角度來講，θ13是最重要的，這就是為什麼全世界的粒子物理學家，對於θ13的結果都這麼興奮，因為它使得CP破壞實驗研究有了可能。在這之前，很多人是悲觀的，覺得這東西可能是0，那後面就沒有辦法了。

學生：劉慈欣在小說《時間移民》中寫道，擊碎夸克時，宇宙會變成負片，我想請問如果擊碎中微子，會出現什麼現象？

王貽芳：目前我們所說的標準模型中的粒子，是不能被擊碎的，無論夸克也好、電子也好，我們都沒有發現內部結構，也就是在現有的能量下我們無法把它擊碎。自然中微子也是基本粒子的一種，所以我們還做不到把它擊碎。

當然，我們不是說它永遠不能被擊碎，粒子物理現在做的一個非常重要的方向，就是試圖尋找所有這些基本粒子有沒有結構，有沒有有限的大小，就是能看到它所謂的尺寸。到目前為止，我們只有一個上限，就是小於多少，但不知道到底是多少，它和一個點粒子，目前是非常符合的。這是我們下面要研究的一個問題。

王貽芳隨後在接受媒體採訪時表示，這些青少年的提問水平很高，「說明他們不光是讀了自己高考需要的課本內容，應該說讀了很多課外的科普內容。」

本文來源：澎湃新聞 責任編輯：王鳳枝_NT2541