■曹俊
最近，我國大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)測得了迄今為止最精確的反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差，這為未來的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)提供了重要的測量數(shù)據(jù)，也激起了很多科學(xué)家和科學(xué)媒體關(guān)于惰性中微子的討論。
為何要研究中微子
研究中微子有可能揭示許多未解的物理之謎，包括宇宙的歷史、形成與未來。在宇宙大爆炸時(shí)期，中微子是產(chǎn)生的最多的粒子之一?，F(xiàn)今仍大量產(chǎn)生于恒星內(nèi)部的核反應(yīng)過程和宇宙射線撞擊地球大氣層過程。
中微子也是核反應(yīng)堆發(fā)電時(shí)發(fā)射的副產(chǎn)物，這使科學(xué)家可以對其進(jìn)行可控的研究。事實(shí)上，在20世紀(jì)50年代，人們正是在反應(yīng)堆旁首次探測到了中微子。中微子因?yàn)樾再|(zhì)極不活躍，當(dāng)時(shí)曾被認(rèn)為不可能被探測到。自那之后，反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)在揭示中微子振蕩（即電子、繆子、陶子三種中微子之間的相互轉(zhuǎn)換）以及其他重要屬性中起了至關(guān)重要的作用。2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了十幾年前發(fā)現(xiàn)太陽中微子振蕩和大氣中微子振蕩的兩位科學(xué)家，而2012年，我國大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)利用反應(yīng)堆發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩，去年被授予基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。
反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素是需要知道反應(yīng)堆總共發(fā)射了多少個(gè)中微子（稱為通量）以及不同能量的中微子各占多少（稱為能譜）。在早期的研究中，科學(xué)家們根據(jù)對反應(yīng)堆中復(fù)雜的裂變過程的理解，通過計(jì)算或其他間接方法來估計(jì)這些數(shù)值，對理論模型具有很強(qiáng)的依賴性。
大亞灣實(shí)驗(yàn)測得的反應(yīng)堆中微子能譜有一個(gè)意外的特征：在能量5百萬電子伏特（MeV）左右，數(shù)據(jù)超出理論預(yù)期10%，對應(yīng)4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)論，但其測量精度不如大亞灣。此外，關(guān)于通量的測量也顯示，反應(yīng)堆中微子的總產(chǎn)額比某些模型的預(yù)期值低6%。這個(gè)結(jié)果與以往實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果一致。這種現(xiàn)象被稱作“反應(yīng)堆中微子反常”。該現(xiàn)象可能來自理論模型的缺陷，也有很多人認(rèn)為可能是由惰性中微子振蕩引起的，后者是一個(gè)理論上假設(shè)的粒子?！胺磻?yīng)堆中微子反?！笔欠翊嬖谑且粋€(gè)未解之謎。
關(guān)于中微子的研究總是撲朔迷離
上世紀(jì)70年代初發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探測到太陽中微子僅為理論預(yù)期的三分之一，大部分中微子不知所終，這困擾科學(xué)界達(dá)四十年之久，被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。80年代發(fā)現(xiàn)大氣中微子也比預(yù)期少，稱為“大氣中微子反?！?。這兩個(gè)反?，F(xiàn)象導(dǎo)致了中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，去年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
90年代美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室LSND實(shí)驗(yàn)利用加速器產(chǎn)生中微子，發(fā)現(xiàn)中微子飛行30米后轉(zhuǎn)化成了其他中微子，但無法用標(biāo)準(zhǔn)的中微子振蕩來解釋，稱為“LSND反?！薄榱私忉屵@個(gè)反?，F(xiàn)象，有科學(xué)家提出，存在一種非常特別的中微子，叫惰性中微子，它只參與振蕩，不參與弱相互作用。為了證實(shí)或者否定LSND的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室又專門做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，叫MiniBooNE。結(jié)果不但沒有解決問題，反而又發(fā)現(xiàn)探測到的中微子中能量較低的一部分比預(yù)期多。
2011年，法國人重新處理了20年前測的核素貝塔譜數(shù)據(jù)，說以前算的反應(yīng)堆中微子流強(qiáng)算低了3%。以前總共做過十幾個(gè)近距離的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，與以前的流強(qiáng)計(jì)算是一致的，沒有看到振蕩。按現(xiàn)在的中微子振蕩知識，也不應(yīng)該看到振蕩?，F(xiàn)在說原來流強(qiáng)算低了3%，也就是說原來的十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都看到了反應(yīng)堆中微子丟失，稱之為“反應(yīng)堆中微子反?！保缓缶o跟又發(fā)了一篇論文，說需要“惰性中微子”才能解釋。
至此，中微子的4種常用研究手段，太陽中微子、大氣中微子、加速器中微子、反應(yīng)堆中微子，統(tǒng)統(tǒng)出現(xiàn)了反常現(xiàn)象，只不過有的已獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，有的則被廣為質(zhì)疑。
中微子探測困難，假信號干擾多，因此容易出錯(cuò)。2011年費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的MINOS實(shí)驗(yàn)稱有98%的把握，證明正反中微子的振蕩不一樣，第二年獲得更多數(shù)據(jù)后，自己發(fā)現(xiàn)是統(tǒng)計(jì)漲落造成的假現(xiàn)象。以前還有一些實(shí)驗(yàn)，聲稱探測到中微子的質(zhì)量，聲稱發(fā)現(xiàn)中微子是自己的反粒子等等，后來都被其他實(shí)驗(yàn)否定。
最有名的事件是2011年意大利OPERA聲稱發(fā)現(xiàn)中微子超光速，不僅讓科學(xué)家議論紛紛，也在普羅大眾中掀起了討論中微子、相對論，暢想時(shí)光倒流的熱潮。相對論是一百年來經(jīng)過千錘百煉的現(xiàn)代物理學(xué)支柱，而中微子實(shí)驗(yàn)通常極端困難，不容易有干凈利落的結(jié)果，因此，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主史蒂文·溫伯格譏諷道： “這就像有人說，在花園深處有一些小仙女，但我們只能在漆黑和有濃霧的夜晚才能看到?！倍栊灾形⒆訌膶?shí)驗(yàn)證據(jù)上看也許不太有力，但仍然有相當(dāng)多的科學(xué)家對此非常熱衷，因?yàn)閺睦碚撋险f它很有吸引力。
中微子質(zhì)量非常非常小，事實(shí)我們還沒有實(shí)驗(yàn)直接測量到，只是通過中微子振蕩現(xiàn)象證明了它有質(zhì)量，測出了不同中微子之間的質(zhì)量差別。這么小的質(zhì)量，在理論上解釋是困難的。為了比較自然地解釋中微子質(zhì)量為何如此之小，很多研究中微子的科學(xué)家，甚至是大部分，都比較相信一種叫“蹺蹺板機(jī)制”的理論。在這個(gè)理論中，存在很重的尚未發(fā)現(xiàn)的中微子。我們現(xiàn)在知道，可見的物質(zhì)只占宇宙總能量的5%，暗物質(zhì)占27%，其他都是暗能量。但暗物質(zhì)粒子還沒有被找到，暗能量的本質(zhì)則更加不清楚。如果存在很重的中微子，就很可能是暗物質(zhì)的組成成分。也有科學(xué)家認(rèn)為質(zhì)量稍微輕一點(diǎn)，但比常規(guī)的三種中微子重的惰性中微子，也可能是所謂的“溫暗物質(zhì)”。不管怎么樣，理論家都希望存在新種類的中微子。既然可能存在這些新種類的中微子，為什么不能存在惰性中微子呢？或者，它們本來就是惰性中微子？
理論和假設(shè)需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)
不管怎樣，這些理論和假設(shè)都需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。很多新的實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行或規(guī)劃中。一種辦法就是利用反應(yīng)堆。大亞灣實(shí)驗(yàn)看到的是中微子跟模型預(yù)期相比丟了6%。如果在離反應(yīng)堆只有幾米遠(yuǎn)的地方放置探測器測量，然后在遠(yuǎn)一點(diǎn)測量，進(jìn)行比較，就可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆中微子是不是真的丟失了，還是模型有錯(cuò)。國際上有七八個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，有的已經(jīng)在進(jìn)行，有的正在研制探測器，比如美國的Prospect實(shí)驗(yàn)和NuLat實(shí)驗(yàn)，法國的Nucifer實(shí)驗(yàn)和Stereo實(shí)驗(yàn)，比利時(shí)的SOLID實(shí)驗(yàn)，俄羅斯的Neutrino4實(shí)驗(yàn)和Posseidon實(shí)驗(yàn)，韓國實(shí)驗(yàn)等。
第二種辦法是利用加速器，也是在離加速器很近的地方放置探測器，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)正在研究。還有一種辦法就是把高強(qiáng)度的放射源放到已有的大型中微子探測器旁邊，放射源產(chǎn)生中微子，這樣可以研究是否有惰性中微子參加了振蕩。意大利的Borexino實(shí)驗(yàn)即將進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。
正在建設(shè)中的我國江門中微子實(shí)驗(yàn)將在地下700米建造一個(gè)2萬噸的探測器，也可以用來研究惰性中微子。比如，將意大利使用的高強(qiáng)度的放射源放到直徑35米的探測器，如果LSND看到的信號是對的，就能看到放射源發(fā)出的中微子在探測器內(nèi)振蕩，可以看到完整的振蕩圖像，而不是一個(gè)孤零零的數(shù)字，干凈地證明它的存在。如果前面的實(shí)驗(yàn)在2020年江門實(shí)驗(yàn)開始運(yùn)行時(shí)還沒有得出結(jié)論，或者只給出模糊的結(jié)論，用江門的探測器來尋找惰性中微子將是一個(gè)值得期待的實(shí)驗(yàn)。
（作者系中科院高能物理研究所研究員）
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