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神奇的中微子還會贏得諾獎嗎？ 本報記者 華 凌
位于南極的“冰立方”中微子天文臺 ■今日視點 看上去不起眼的中微子粒子，今年已是第四次使研究者榮獲諾貝爾物理學獎了，之前的三次分別是在1995年、1988年和2002年。盡管比其他亞原子粒子小百萬倍，但中微子在物理學上具有重大意義，可能是解開宇宙中一些塵封秘密的關鍵所在。最新一期的《對話》分析文章提出了這樣一個問題，有關中微子研究的前沿在何處，它會讓我們發現什么呢？ 遠比想像的更有趣 物質由基本粒子構成。大多數人都聽過電子、中子和質子，或許還有夸克，中微子組成了中子和質子。但對于我們而言，中微子是最令人驚奇的基本粒子。它們無處不在，每一秒鐘傾瀉到1平方厘米地球表面的中微子約有650億個，這些由太陽核聚變所產生的微小粒子總是倏忽而過。 由于中微子幾乎不與其他物質發生相互作用，今年的諾貝爾物理獎獲得者東京大學教授梶田隆章和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納，為了捕捉到它們，不得不建立灌滿成千上萬噸水的巨大探測裝置。在研究中，他們發現中微子遠比我們想像的更為有趣。 一個正在太空中飛越的中微子，會明顯連續以中微子的不同“類型”轉換，改變它們與物質相互作用的方式，這就是所謂的中微子振蕩。你不妨將其想像成這樣一個圖景：有一個小家伙在以接近光的速度運行，不斷更換它外套的顏色。如果中微子有質量，它們肯定只能這樣做。而從已發表的實驗結果來看，中微子被認為沒有質量。顯然，今年諾貝爾物理獎得主的研究具有里程碑意義。 反中微子惹人好奇 中微子身上迷人的特性已顯露無遺。2000年左右，大量建立在中微子具有質量這一基礎上的實驗成功地發現了更多的細節。然而，這些新發現也一如既往地引發了更多的問題。如今，人們已經很詳細地研究了中微子振蕩，并對它有了很好的了解。 但一個非常重要的問題在于：有沒有反中微子，其與中微子振蕩的極性相反？所有粒子都具有反粒子，例如，常見的帶負電荷的電子，有正電子作為其反粒子，但是具有正電荷得是在核反應中產生。然而中微子不帶電荷，也很難搞清楚其反粒子會是什么樣。也許，它們幾乎相同，而行為表現不同。 揭開反物質的秘密 探尋中微子和反中微子以不同的方式互相作用，可能會對解決物理學中最大的謎團之一，即“為什么整個宇宙只是由物質構成”產生深遠影響。大多數人相信，在宇宙大爆炸期間，物質和反物質被等量生成。那么，所有的反物質到哪里去了？我們知道，反物質和物質無論何時相遇，都會毀于剎那間。也許為了避免終極毀滅，它才不出現在周圍吧！不然，所有的物質也將不復存在了。 關于反物質，被當前多數人認同的主要解釋之一是物質的行為不同于反物質。但是，僅弄清中微子和反中微子是如何改變自身“外套顏色”尚不能提供完整全貌。答案或許來自有關中微子的第二個秘密，即為什么中微子的質量小得如此令人難以置信？ 是否有過重中微子 在標準模型中，中微子比其他粒子輕得多。中微子產生的質量是不同的，如果這種說法正確，那么可能存在兩個版本的中微子：一個是今天觀察到的具有極微小質量的中微子，另一個則是大量存在于宇宙誕生時的相對較重的中微子。 理論計算指出，如果這些重中微子具有與其行為不同的反粒子，那么它們隨后會衰變成若干像電子和正電子一樣更小的粒子。而這一切會“不對稱”地發生，這意味著在衰變時反粒子比正粒子創建的少。在早期宇宙條件下，這可能會導致相對少的殘留物質形成了我們今天的宇宙。 難怪科學家們會投入這么多的精力了解中微子的性質。搞清楚這些中微子真實性質的唯一途徑是尋找一種極其罕見的被稱為“無中微子雙β衰變”的核衰變。為了觀察到這種衰變，許多實驗室正準備對大量的同位素展開研究。 中微子組成暗物質？ 中微子可能也為天體物理學家觀測到的令人困惑的數據提供解釋。數據表明，宇宙中還存在很多我們無法直接觀察到的暗物質，它們比我們所觀察到的物質大約多5倍。 2000年左右，有人認為，幽靈般的中微子可能是暗物質，但現在知道，它們都不夠重。科學家觀察到三種類型的中微子：電子中微子、μ中微子和τ中微子，而且似乎還有這三種類型以外的其他類型粒子。那么，問題是是否存在可以解釋暗物質的額外中微子呢？ 目前，許多中微子振蕩實驗是在搜尋既有中微子振蕩理論的破綻。此外，天體物理學家也在追蹤宇宙射線中額外中微子的跡象。 構成暗物質的究竟是什么，宇宙中為什么正物質比反物質多，這是現今物理學最重要的兩個問題。如果能夠將其解決，甚至只是弄清楚為什么中微子是如此之輕，都將是一個重大的突破。如今在世界范圍內許多實驗室之間展開了競賽，正在試圖弄清楚這些問題。 由此可見，神奇的中微子為摘取下一個諾貝爾獎還提供了大量的機會！ |
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