中微子，宇宙幽灵

为什么在稳定地照亮黑暗宇宙数百万年后，一颗超巨大的恒星——超巨星会突然在一阵超明亮（亮度超过1000亿颗恒星发光的总和）中爆发？深空中有什么奇异天体，在以宇宙中已知最高的能量发射粒子？最令人困惑的问题或许是为什么宇宙会包含物质？这些奥秘已经困扰了天体物理学家和粒子物理学家数十年时间。破解这三大谜题的关键，其本身就是物理学中的最大谜题之一：中微子。

宇宙中充斥着令人匪夷所思、几乎没有质量的亚原子微粒——中微子。中微子在宇宙大爆炸之后立即以极大数量源源不断地产生，具体而言，是在恒星上以及其他地方由放射性衰变及其他多种反应产生的。数万亿个（也可以说是数不清的）幽灵般的中微子穿越恒星和行星，其中也包括我们的地球。

中微子不带电荷，不受质子或电子吸引，因此也不与电磁场交互作用。在极小的尺度上，有一种强大的力量——强作用力——把原子核内部的质子和中子结合在一起。但强作用力奈何不了中微子。中微子比超级模特还高傲，它们很少与同类或宇宙中的其他任何东西互动。有点矛盾的是，正是中微子的这种“崇尚自由”的特质，让它们无论是在宇宙运转还是在揭示宇宙的一些最大奥秘方面，都充当了重要角色。

中微子物理学正进入黄金时代。作为一项实验的一部分，中微子最近为洞察深空中的高能量源（例如以数万亿千米长的束流喷射粒子的黑洞）打开了一扇窗户。另一项在很深的地下隧道中进行的天文学实验，将使用中微子来探索远古超新星的平均温度和能量水平，以及更好地了解它们的典型行为。物理学家正在运用计算机模型，步步逼近中微子在激发一种超新星（它们负责扩散氧和氮等元素）方面的关键作用。

除了扩展中微子在天文学和天体物理学中的作用之外，物理学家也在试图弄清中微子的一些基本特性。例如，有些研究者希望查明中微子可能具有的3种不同的质量。这一基本信息可能会影响解释其他粒子质量的理论。

在宇宙破晓时期，对于每一个物质粒子（例如电子）来说，都会有一个反电子；对于每一个夸克（理论上一种比原子更小的基本粒子）来说，都有一个反夸克。当这些相反的粒子相遇时，它们应该会互相湮灭，创生纯粹的能量。通过决定中微子的另一个令人难以捉摸的基本特性，科学家希望回答理论物理学中最大的疑问之一：为什么宇宙大爆炸产生的所有物质和反物质并不相互湮灭？

为什么会有物质留下来？最可能的解释依赖于一种理论：今天几乎没有质量的中微子，曾经有过超重的伙伴。这些质量超过质子100万亿倍的中微子的近亲——超重中微子，是由刚好在大爆炸之后存在的极大热量中形成的。它们拥有特殊的“雌雄同体”能力，既能衰减成物质，也能衰减成反物质。例如，一个这样的超重粒子或许会衰减为一个中微子再加某个其他粒子——例如电子，而另一个超重粒子则可能衰减成一个反中微子和另一其他某个粒子。

为了让这种理论也能解释为什么会有物质存在，这些超重中微子衰减成粒子的速度就不得不快于衰减成反粒子的速度。利用中微子探测器进行研究的物理学家，除了想查明中微子的质量之外，也在研究今天更轻质的中微子从一种类型转换为另一种类型的速度是否不同于反中微子。可能解释今天轻质中微子这种行为的理论，或许也能解释宇宙之初超重中微子的倾向性。如果超重中微子理论是正确的，那么这些原始的超重粒子就是“超级祖先”——宇宙中的每个粒子都是它们的后代。

与中微子有关的发现，已经赢得了3项诺贝尔奖。而正在进行的这方面更具开创性的实验，将可能夺得更多的诺贝尔奖。看似无足轻重而又多余的中微子，在我们认识宇宙方面的作用或许却是分量最重和必不可少的。

　　“冰棒望远镜”

位于南极洲的粒子探测器

希望探测中微子的科学家，必须把探测器建在很深的地下或水下，以过滤持续轰击地球的宇宙射线。但不管物质密度多大，中微子都能穿越。早在几十年前，美国威斯康星-麦迪逊大学的物理学家弗兰西斯·哈尔森就意识到，南极洲是探测中微子的一个理想地点，因为这里的冰很厚，足以把数千个光传感器埋在冰下1600米处甚至更深的地方。

当一个中微子偶然撞上冰中的一个原子核，就会产生一个电子或μ介子（电子的一个更重的近亲），在此过程中释放微光。位于南极洲的一部地下望远镜兼粒子探测器——“冰棒”（上图）能捕捉到这种微光。哈尔森是参与“冰棒”探测计划的近250名科学家之一。

这些科学家在2017年5月发现了两个中微子的光迹，它们的能量竟然高出此前在地球上探测到的任何中微子能量的1000倍。在把它们分别命名为“伯特”和“欧尼”之后，对其能量将信将疑的科学家们再度检查了它们的能量水平的数据，结果又发现了26个高能中微子。当科学家检验直到2018年5月的数据后，他们发现了9个更高能量的中微子，其中有一个的能量是“伯特”和“欧尼”的能量之和。于是，科学家把它命名为“大鸟”。

有些中微子几乎可以肯定来自于我们所在的银河系以外，它们或许有助于破解一个已有百年历史的难题：超高能宇宙射线的源头在哪里？科学家相信，这个源头也产生高能中微子。一些看似可能的源头是：喷发物质射流的超大质量黑洞，碰撞的星系，或者“生产恒星的工厂”——星爆星系。

美国俄亥俄州大学物理学家约翰·比科姆评价说：“‘冰棒’正在打开宇宙的一扇窗户。所有这些年来，我们一直在利用光线（并不只是可见光）研究天文学，这样的研究实际上很不完整。”

中微子之谜

游历亚原子的奇异世界

形态变化

中微子是出了名的“变形人”。每个中微子出生时都是3种类型之一（电子中微子、μ介子中微子和t介子中微子），但在旅途中，它们可在几千分之一秒的时间内改变类型，就好像它们尚未决定让自己变成什么类型。和其他亚原子微粒一样，有时候中微子的行为也像是波。但随着中微子旅行，这种“类型波”以不同方式组合。有时候，这种组合形成的是一个电子中微子（Ve）；也有时候，这种组合形成的是一个μ介子中微子（Vμ）。因为中微子是量子粒子，所以从定义上说它们本身就很奇异——它们不是一次只属于一种类型，而是属于3种类型的组合。在非常罕见的情况下，中微子会与另一个粒子互动。如果这个反应看来产生了一个电子，那么中微子在自己的最后时刻就属于电子类型；如果产生的是一个μ介子，那么中微子就是μ介子类型。如此看来，中微子的身份危机只有在它最终与另一个粒子互动时才能解决。

　　重量级竞赛

科学家希望利用中微子的奇异变形行为来解开多个奥秘。他们已经知道其他每一种基本粒子（例如电子）的质量，但中微子的质量充其量只有电子的百万分之一，再加之中微子的类型转换方式，所以它们让人很难捉摸。

一旦确定中微子的质量，就无疑会影响有关粒子和力怎样相互作用的基本理论（即所谓的粒子物理基本模型）。物理学家已经知道这一理论是不完整的，因为它错误地预测中微子没有质量。美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的科学家威廉·路易斯评价说：“如果能确定中微子的质量，就可能有助于了解所有粒子的质量背后的理由。这就相当于，只有把所有拼图都找到了，拼图游戏才会更容易玩。”

想要确定中微子的质量，难点在于量子物理学的一个根基——海森堡不确定性原则。这个原则指出，亚原子微粒的某些特性相互关联，以至于对一个特性的了解越准确，对另一个特性的了解就越不准确。例如，如果确知一个微粒所在位置，就无法知道它的动量。而一旦确知一个粒子的动量，就不可能确知它所在位置。美国印第安纳大学物理学家马克·梅西尔指出，中微子的类型和质量以一种类似方式关联在一起，也就是说，不可能同时确知两者。他说：“我们总是测量某种质量组合。如果要问中微子的一个单一类型的质量多大，那其实是没有意义的。”

科学家们知道，每个中微子的质量都是3种质量的组合。但如果不进行测量，他们就不可能知道这个组合究竟是什么。梅西尔说，其中两个质量在大部分时间里很可能属于电子中微子，另一个质量有可能属于电子中微子，却也可能不是。但是否如此，仍不清楚。科学家们也不确定：3种质量中最大或最重的，是否最可能属于一个电子中微子，还是最不可能属于一个电子中微子？

　　当“左撇子”变成“右撇子”

所有物质都有一个镜像，叫作反物质。对一个带负电的电子来说，它的反物质孪生兄弟——正电子与它完全一样，只是正电子带正电。如果物质与反物质相遇，它们就会在能量爆发中互相毁灭对方。

对中微子的3种类型中的每一种而言，也都有对应的反中微子，分别是电子反中微子、μ介子反中微子和t介子反中微子。由于中微子是中性的，因此它们的反粒子不可能具有相反电荷，但它们的“自旋”方向相反。请注意，中微子太渺小，不会像行星那样真的自转。“自旋”指的是一种在某些方面相当于自转的特性。中微子是“左撇子”，总是相对于自己的运动方向左旋。反中微子则是“右撇子”。一位意大利理论学家指出，正因为中微子是中性的，所以它们可能是自己的反粒子，也就是说，在某些情况下，中微子的行为可能像反中微子。如果这个说法正确，就能满足“超级祖先中微子理论”（它解释我们及宇宙中所有物质为何能存在）的一个必要条件。

　　碎裂的镜子？

如果把物理学法则应用于反物质，一切结果都相同，只不过要反向。一个磁场会以完全相同的力量推动一个电子和一个正电子。如果电子被往右推，正电子就被往左推。物理学家希望中微子不一定要遵循这种镜像效应，这样一来，中微子就会再度成为“另类”，能够帮助我们对自然有一种新的认识。

在美国和日本进行的相关实验中，科学家们希望确定中微子变形为其他类型的速度是否不同于反中微子的变形速度。例如，物理学家们不愿意说电子中微子转变成μ介子中微子的概率是10%，而是宁可这样问：电子中微子转化为μ介子中微子的可能性是否更低？他们观察到一些其他粒子存在这类“不对称”行为，从而有人预测中微子也有这样的行为。

如果中微子转变为其他类型的速度有别于反中微子，那么这种体现在中微子身上的物质与反物质差异，也存在于时间之初的它们的超重祖先身上。

　　观测恒星

大质量恒星为何会爆发性死亡？一位天体物理学家试图把它归咎于中微子。

在宇宙中的某些地方，每秒钟至少有一颗大质量恒星以超新星的形式开始经历死亡过程——以整个星系中全部恒星的亮度之和，把自己炸得粉身碎骨。在经过50年的调查后，天文学家仍不清楚超新星发生的确切原因。但德国天体物理学家汉斯·詹卡认为，这个奥秘中的一个主要元凶显然是中微子。

詹卡就职于慕尼黑的马克斯·普朗克研究院，研究方向是天体物理学。他利用全球最强大的数十台计算机，花了几十年时间来探究超新星背后令人难以置信的复杂机制。计算机处理能力和物理学的进步，帮助他建立了一些非常复杂的模型，它们不仅能模拟恒星形态的种种细节，而且同时考虑到从恒星旋转和核反应到爱因斯坦引力理论的所有相关情况。现在，詹卡最新研发的多个模型首次全面描述了在恒星烈焰暴亡景况下的中微子行为。

1982年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家詹姆斯·威尔逊首次尝试解释中微子激发超新星爆发的可能机制。他知道，在一颗大质量恒星大约经过1000万年时间而烧尽自己的燃料时，它的内核就会迅猛内爆，把所有恒星物质向内推。接着，内爆开始转变为一种爆发，形成冲击波。但在几千分之一秒的时间内，爆发全然终止。然后，“某种东西”造成冲击波，让爆发再度开始，最终留下一颗致密的中子星。

威尔逊通过基本的计算机模拟发现，这个“某种东西”就是中微子。当恒星内核中的电子和质子转变成中子时，会产生超巨量的中微子，其数量级为1的后面跟58个0。由于这些中子排列非常紧密，1茶匙的中子就重达1亿吨，所以中微子会被困在那里，四处跳跃，与其他粒子（大多数是中子，但也有质子和电子）反应数万亿次。中微子被滞留在星核中的时间只有一秒钟，但威尔逊相信，在此过程中产生的热量足以引起超新星爆发。受限于当时的计算机能力和物理学水平，威尔逊研发的模型相对简单化，例如把恒星视为一个完美的圆球，而且对非常致密物质的行为和中微子怎样从恒星核转移到中子星外层（冲击波加热的发生处）做出错误的假设。最终，威尔逊的模拟没有成功。

詹卡在威尔逊的这一模拟失败4年后得知了它，当时詹卡是慕尼黑技术大学的一名研究生。他认为威尔逊的理论看似行得通，但他研发了一种新的方式来描述超新星的中微子物理学。他之所以能进行这项研发，一个有利因素是能借助马克斯·普朗克研究院新近获得的多部超级计算机，而在整个欧洲有如此机会的地方却不多。詹卡马不停蹄地工作，但与此同时他也有一种挥之不去的担忧：在当时做这方面研究的人可谓寥寥，而他是其中一员，所以詹卡不得不考虑自己读完博士学位（到时候他将是30多岁）之后好不好找工作。

但老天眷顾了他。1987年，自1604年以来首次裸眼可见的超新星出现在距离地球最近的星系——大麦哲伦云。在这次超新星发射的数万亿个中微子当中，由地球上的探测器捕捉到的有24个。这让中微子研究陡然荣升粒子天体物理学的一个新领域。詹卡说，这不仅导致一项大型的中微子天体物理学研究计划在慕尼黑启动，而且让他本人获得了永久性职位。

1987年的超新星证实了一个基本图景：大质量恒星的坍缩星核喷发超巨量中微子。詹卡立即开始构建计算机模型，但与威尔逊一样，他也不得不假定恒星是圆球——这是由计算机能力的高昂代价所限定的一种过度简单化。当詹卡运行这些模型时，恒星没有爆发。在接下来的10年里，他与马克斯·普朗克研究院的同事、天体物理学家埃瓦尔德·穆勒合作创建复杂模型。他们在模型中加入了中微子怎样交互以及怎样逃逸出坍缩的恒星核等细节。

2015年，詹卡为一个更精确描绘恒星形状的模型研发了更复杂的编码，但它仍然是一种近似。在这个被称为“二维型”的模型中，詹卡优化了与恒星的其他物质流动相关联的中微子移动物理过程，但他缺乏超级计算机的使用机会来测试这个模型。到了2016年，幸运再度降临。马克斯·普朗克研究院的执行院长问詹卡：如果有70万欧元（当时相当于87.5万美元），你会拿它做什么？在詹卡建议下，该院购买了一些当时速度最快的处理器。在接下来的3年时间里，这些计算机被用来连续进行詹卡所希望的模拟研究，尤其是研究“1秒钟演化”——从超新星内核坍塌到中子星形成后750毫秒期间的情况。这项研究最终形成了有关巨恒星死亡的首个复杂二维模型。更重要的是，这一次，模型中的恒星爆发了。

詹卡团队研发出了高度复杂的物理学等式组，描述中微子互动以及恒星气体怎样流动和形成泡泡，从而把威尔逊的理论转化为具象得多、也复杂得多的模拟。但因为詹卡简化了恒星的形态，所以他新研发的三维模型也没能破解整个奥秘。目前，詹卡团队正在把在中微子互动研究中获得的成果融入到新的、也更高端的模型中，这些模型不再把恒星形态理想化。巴黎和慕尼黑各有一部巨型超级计算机供詹卡在部分时间里使用，它们的能力相当于3.2万个工作站。合起来，它们每秒能执行超过100万亿次运算。但詹卡发现，这仍然达不到他所希望的计算能力。这些三维模型依然处在婴儿期，在模拟中，恒星也没有爆发。最近，詹卡团队获得一项为期5年、总金额400万美元的专项拨款，目的是让三维模型的分辨率更高，以及能在时间上向前或向后地进行模拟，并且把模型与观测到的超新星残余联系起来。

美国加州大学的超新星研究先锋斯坦福德·伍斯里评价说，詹卡正在这个具有高度竞争性的领域中做着领先的工作。他透露，美国普林斯顿大学和橡树岭国家实验室的团队也在紧锣密鼓地开展这方面研究。谁能获得15倍太阳质量恒星（即质量相当于太阳质量15倍的一颗恒星）以合适的能量爆发的三维模式，谁就是胜者，因为这种质量的恒星能合成对于生命（生物）来说很重要的元素。这正是探索中微子之谜的最大诱惑。詹卡说，不管是我们呼吸的氧、血液中的铁、植物的碳还是沙子的硅，所有组成你我他和地球的物质都是由超新星制造并分配的。我们都是恒星之子，铸造我们的物质是在数十万光年外的一次巨型爆发中创制的。在这样的爆发中，一种沉默无语的幽灵粒子——中微子，最终猛烈地让我们感受到了它的存在。

　　双重麻烦

致力于捕捉罕见的互动

世界各地正在开展多项旨在捕捉中微子的大型实验，而这种捕捉必须在中微子并不现身的情况下实现，其难度可想而知。在一种放射性形变——单一贝塔衰变中，一个不稳定原子的原子核中的中子（一种中性粒子）自发地变成质子（一种正粒子），释放一个电子和一个反中微子。

在双贝塔衰变中，这种反应（互动）是双重的：两个中子同时衰变成两个质子。但一些物理学家相信，这不一定会产生两个电子和两个反中微子。在某些情况下，不会产生反中微子。这只有在中微子是自己的反粒子的条件下才可能，而在此条件下，中子释放反中微子，然后，转眼间，反中微子就被作为中微子而被中子吸收。

尽管中微子的双重反身份的发现在许多物理学家的预料之中，它却与粒子物理的标准模型（现行对粒子与基本作用力行为方式的主流认识）相矛盾，从而可能带来一种对传统范例模式的颠覆。如果一个不稳定原子的衰减产生两个电子，但不产生反中微子，那么物理学家就将为这种奇特而又古怪的行为找到决定性的证据。在美国新墨西哥州进行的“富氙天文台 200”实验，以及在日本和欧洲进行的同类实验，正试图捕捉这种奇妙而又罕见的反应。事实上，科学家们长期以来一直试图发现这种重要的衰减。

古恒星爆发与新生黑洞

S-K探测器（日本）

自1996年起，建造于一座锌矿中的日本S-K探测器一直在一箱5万吨的超纯水中寻找中微子的迹象——微型闪光。当来自超新星的一个低能量中微子或反中微子与水箱中的一个水分子碰撞时，产生的光信号被1.3万只光电倍增管中的大约100只记录下来。光电倍增管是超灵敏的光探测装置，它把微量闪光转化成可被记录的较大的电活动。但有时候，假的正信号会出现：探测器中的放射性衰减也会产生光，正如大气层中产生的中微子在与水分子碰撞时会产生光。

现在，在S-K探测站工作的科学家们计划采用一种方法来消除假的正信号。这种方法由两名美国物理学家研发，它聚焦的是由超新星产生的反中微子。科学家们将在50吨超纯水中添加一种罕见的土壤金属元素——钆（符号Gd音 ga），让这些水能区分自己是与反中微子相遇了还是被发光的假冒者给骗了。

当一个反中微子敲入S-K探测器水中的一个质子时，质子会变成中子，并且立即发射一个带正电的粒子，这个粒子在迅速穿越水的过程中发蓝光。钆能在中子产生大约20毫秒后捕捉它，让它成为自己的原子核，并立即引发伽马射线爆发。光电倍增管能捕捉全过程。没有其他粒子交互能产生这种“1-2型心跳”。这两次“心跳”发出的光（不一定是可见光）揭示了两件事：第一次闪光表明反中微子的能力；第二次光则证实这个粒子是反中微子。

目前，S-K探测器已具备探测来自银河系中任何地方的超新星爆发的中微子的能力。添加钆将让这部探测器的灵敏度大大提升，从而能让它开始采集已知宇宙中一半范围内任何地方的超新星发出的反中微子，其中包括在数十亿年前大质量恒星爆发中产生的低能量和难以探测到的反中微子。添加钆还能让科学家确定一次典型超新星的温度和总能量，而这两者在所有类别的宇宙学和恒星演化模型中都不可或缺。

添加了钆的探测器有望在2017年全面投入使用。它可能会捕捉到黑洞在恒星爆发后的残余中诞生的迹象。中微子无法从黑洞逃逸，而添加钆的S-K探测器将能探测到中微子流突然关闭的迹象。有了钆，S-K探测器就能观测恒星核初始坍缩几分钟后或几小时后的情况，而没有钆的话，这个时间仅限于10秒左右。

　　高高在上

“安妮塔”

由气球搭载的“安妮塔”已经在2014年年末升空。它试图探测宇宙中最高能量的中微子。这些中微子被认为源自超高能宇宙射线。这些射线与大爆炸后剩下的、如今依然充满宇宙的低能量不可见光子相撞时，就产生最高能量的中微子。

是什么现象在创生并发射这些中微子的宇宙射线源头呢？也许是超级新星（科学家们戏称其为“吃了兴奋剂的超新星”），也可能是迅速自旋的黑洞，但更可能是超大质量黑洞。由美国宇航局赞助的“安妮塔”最终会升至南极冰冠上空3.5万米高度。在环绕南极的过程中，“安妮塔”的天线能一次性扫描100万立方千米的空间，寻找超高能中微子击中冰原子核时发射的无线电波。顺便提一句，现在已经是“安妮塔”的第3次旅行了。

很有分量的诸多问题

“诺瓦”实验（美国）

2016年，美国物理学家开始以每秒150万亿个中微子的速度，从美国芝加哥以西的费米国家实验室向美国明尼苏达州的一部探测器发射中微子。这趟距离为810千米的地下旅行，费时仅仅2.7毫秒。

这项实验的正规名称是“鲁米轴偏离电子中微子外相实验”，简称“诺瓦”。这项任务依赖的是一部1.54万吨级别的探测器，它包含1.14万立方米的水溶液和一种被称为“闪烁体”的材料。“闪烁体”吸收入射粒子的能量，并且以光的形式发射能量。在费米实验室发射的超大量中微子当中，每周只有大约10个中微子与“闪烁体”交互。但这个结果很重要，因为它是一种光的指针，能揭示中微子的类型和能量。

在过去13年里，超过200位科学家、工程师和技术人员帮助设计和建造费米实验室的这一旗舰项目。美国印第安纳州大学物理学家马克·梅西尔是“诺瓦”计划的领导者之一。他说，“诺瓦”在揭示中微子的新特性方面很可能迈出下一个大步伐。“诺瓦”的目标之一是帮助查明中微子类型3种组合中的哪一个最重，哪一个最轻，即所谓的质量序列问题。质量是中微子的一个基本却又神秘的特性，它影响着众多的物理学理论，原因是中微子的质量来源依然不明。

“诺瓦”项目中的中微子一开始是μ介子类型，但它们接着就启动了转化为电子中微子的典型过程。电子中微子之所以特殊，是因为它们能与地球交互：它们能与原子中的电子单独进行有意义的互动。“诺瓦”实验的关键在于，电子中微子类型的质量越大，它们就越可能与810千米旅途中遇到的物质交互。梅西尔解释说，因为地球电子能“拖曳”电子中微子，实际上这就赋予了电子中微子一些附加的质量。

这种效应决定着中微子的变形速度。如果电子中微子倾向于拥有最轻的质量组合，这种来自于它们与地球互动的附加重量就会让它们转变成μ介子中微子的速度更快，这是由于它们能“混合”或“重叠”μ介子的质量（实际上是指这些粒子的波粒二象性）。另一方面，如果电子中微子包含最重的质量，那么附加的由地球诱导的质量就会让它们较少地与其他两种类型的中微子混合。

“诺瓦”团队正在用反中微子做实验。梅西尔说，反中微子提供了一种宝贵的对比。或许这一实验会给出一些提示，即中微子与反中微子的变形速度是否不同。不过，这又是一个虽然不同寻常、但也并非完全出乎预料的中微子特性。

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