中微子，关乎宇宙起源之谜
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作者：曹俊，为中国科学院高能物理研究所副所长
发布于：2024-03-08
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- 日本“顶级神冈”中微子探测器项目已正式启动，计划于2027年开始收集数据。该项目由日本主导、英国和加拿大等国参与，目的是阐明物质的起源及基本粒子的“大统一理论”，揭开宇宙起源之谜。
- 中微子是宇宙中数量最多的基本粒子之一。基本粒子是已知的最小粒子，它们不能像原子那样被分成更小的粒子，是构造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最轻的物质粒子，迄今还未能测出它的确切质量，但至少比电子还要轻100万倍。它们无处不在，如太阳发光、核反应堆发电、岩石的天然放射性衰变等核物理过程中都会产生，就连我们每个人也会因体内的钾—40衰变而每天发射约4亿个中微子。
- 中微子的最大特点就是几乎不与任何物质反应。不管是人体还是地球，在它看来，都是极为空旷、可以自由穿梭的空间。我们感觉不到它的存在，科学上探测也极为困难。因此，中微子的发现和研究过程，饱含着几代科研人员的心血。
- 1930年，奥地利科学家泡利为了解释原子核衰变中能量似乎不守恒的现象，预言了中微子的存在，认为就是这种“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过20多年的寻找，美国科学家科万和莱因斯终于在核反应堆旁探测到中微子，证明了它的存在。莱因斯因此获得了1995年诺贝尔物理学奖。
- 1968年，美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验，首次探测到了来自太阳的中微子，证实太阳无穷无尽的能量来自氢核聚变。1987年，日本科学家小柴昌俊在第一代神冈实验中，探测到了来自超新星的中微子。他们二人因此都获得了2002年诺贝尔物理学奖。此后，戴维斯进一步提高测量精度，却发现太阳中微子的数量比理论预言的要少得多，被称为“太阳中微子失踪之谜”。此后，小柴昌俊的学生梶田隆章发现，宇宙射线在大气层中产生的中微子也比预期少，称为“大气中微子丢失之谜”。
- 中微子为什么比预计的少？1998年，梶田隆章在升级后的第二代神冈实验中发现，大气中微子比预期少，是因为在飞行过程中自发变成了其他种类的中微子，这一现象就是中微子振荡。他也因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。
- 中微子振荡现象证明了中微子有质量，尽管质量极其小，但会影响宇宙的起源和演化。根据已知的物理规律，在宇宙早期，正反物质应该成对产生，数量是一样的。但在现在的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象。为什么宇宙只由正物质构成？反物质到哪里去了？这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来一个意外的结果，即正反粒子的行为可以不一样，很有可能造成反物质消失。因此，全面了解中微子振荡，是破解“反物质消失之谜”的重要一环。
- 由于中微子难以探测，解决这些谜团需要巨大的探测器，获取更精确的数据。日本前两代神冈实验坚持自己的优势方向，掌握核心技术，持之以恒地探索，取得了巨大突破。此次启动的第三代实验“顶级神冈”将建造一个26万吨的水探测器，造价约8亿美元。此前，中国的江门中微子实验和美国的深层地下中微子实验也已开始建设。三个实验间既竞争又互补，联合分析能显著提高发现能力。新一代的中微子实验，也许有一天可以揭开宇宙起源的谜题。
- （作者：曹俊，为中国科学院高能物理研究所副所长）
