宇宙中的幽靈粒子：中微子：超光速現象是真的嗎？中微子中微子又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用符號ν表示。中微子不帶電，自旋為1/2，質量非常輕（有的小於電子的百萬分之一），以接近光速運動。中微子個頭小，不帶電，可自由穿過地球，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的「隱身人」。科學界從預言它的存在到發現它，用了20多年的時間。為什麼在穩定地照亮黑暗宇宙數百萬年後，一顆超巨大的恆星——超巨星會突然在一陣超明亮（亮度超過1000 億顆恆星發光的總和）中爆發？深空中有什麼奇異天體，在以宇宙中已知最高的能量發射粒子？最令人困惑的問題或許是為什麼宇宙會包含物質？這些奧秘已經困擾了天體物理學家和粒子物理學家數十年時間。破解這三大謎題的關鍵，其本身就是物理學中的最大謎題之一：中微子。

從真理到謬誤只有一步之遙，這一名言在沸沸揚揚的超光速實驗中似乎再次得到了驗證。2012年3月末，歷時半年之久的「超光速中微子」事件接近了尾聲。作為「尾聲」的一個標誌性事件是，兩名「奧普拉」（OPERA）研究團隊領導引咎辭職。一位是法國里昂大學的安東尼奧·埃雷迪塔托（Antonio Ereditato），他此前在研究團隊中任發言人一職；一位是瑞士伯爾尼大學的達里奧·奧蒂耶羅（Dario Autiero），他在團隊中的角色是物理學協調人。據美國《科學》雜誌報道，做「超光速中微子」實驗的團隊「奧普拉」（OPERA）的各個領導者不久前做了一次投票，他們中有16人對上述兩位投出反對票，13位支持，另外7位棄權。儘管按照團隊的規定，在反對票佔到三分之二以上時才能開除領導者，但埃雷迪塔托在看到投票結果以後馬上表示了辭職，奧蒂耶羅也在第二天辭職。他們的辭職源於同事們對他們在「超光速中微子」實驗中的表現不滿。對埃雷迪塔托的不滿在於他的管理方式，而對奧蒂耶羅的不滿則直指測量本身。爆炸性新聞：中微子超光速竟然是騙局物理學家埃雷迪塔托和奧蒂耶羅第一次成為焦點是在去年9月份。2011年9月23日，歐洲核子研究中心（CERN）發布了一篇新聞稿，宣布當天下午將召開一個研討會，來自「奧普拉」的研究人員將描述他們在中微子實驗中發現的中微子的新特性。中微子是核反應中產生的一種微小的、電中性的粒子，儘管這種粒子的特性一直讓人感到好奇，但令人難以想像的是，這場專業研討會的網路視頻吸引了超過12萬人觀看，而平時CERN的視頻只能引來幾百人。美國費米實驗室和斯坦福直線加速器中心（SLAC）的聯合刊物《對稱》事後寫道：「即使把平行宇宙里的粒子物理學家都算上，也不會有這麼多人。很明顯，大量的普通人也在收聽。」就是在這次會議上，「奧普拉」研究組發布了一個爆炸性的新聞：他們探測到了速度超過光速的中微子。從歐洲核子研究中心到「奧普拉」所在的義大利中部的大薩索山（Gran Sasso）有730公里的距離，而「奧普拉」發現，核子研究中心那裡產生的中微子到達大薩索山時，會領先光20米率先越過「終點線」。換句話說，中微子的運動速度比光速快了0.0025%，或者說，中微子每秒鐘跑的距離比光多7495米。對於物理學家來說，這是一件「不可能」的事情。因為根據愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論，光速是整個宇宙中的速度上限，不可能有物體的運動速度超過光速。「奧普拉」的科學家也十分明白，假如他們的實驗結果是真實的，那麼這對現代物理學的撼動將會超乎想像。「奧普拉」團隊從2009年開始研究所謂的「中微子振蕩」，沒想到卻意外發現了一個令人瞠目結舌的現象。團隊在公布這項發現之前，已經花了幾個月的時間檢查所有可能令結果出錯的環節，一無所獲之後才決定讓整個物理學界都參與進來，看看究竟他們是錯了還是對了。「我們對研究成果很有信心。我們花了幾個月時間，反覆檢驗數據和設備，都沒有發現任何錯誤。」安東尼奧·埃雷迪塔托當時說。有趣的是，對於這項發現，各國科學家的態度有著微妙的差異。美國和英國的科學家多直接表示不太可能，日本有研究人員表示有信心，而中國科學家的表態則有點模稜兩可：研究超光速可能性要從本質入手。態度最鮮明的恐怕要數英國薩里大學的物理學家吉姆·艾卡里里（Jim Al-Khalili）：「如果歐洲核子中心的實驗被證明是對的，中微子超越了光速，那我就在電視直播中把我的平角內褲吃了。」

中微子超光速誤差的來源英國《自然》雜誌稱，「對於一些物理學家來說，新的測量對這件事起了一錘定音的作用。」但魯比亞仍然等待看到2012年春天包括「奧普拉」和「伊卡洛斯」在內的幾個項目所做的新的結果。這些項目中也包括另一個叫做「大體積探測器」（LVD）的中微子觀測站對來自歐洲核子研究中心的中微子所做的測速。此前，在2月份時，《科學》雜誌曾爆料稱，來自歐洲核子研究中心的內部人士透露，中微子速度的誤差可能是由於連接GPS接收器和電腦之間的光纜鬆了造成的。歐洲核子研究中心隨後證實了這一說法，但同時表示還有另外一個因素，即用於將「奧普拉」的探測器時間與GPS進行同步的一個振蕩器可能存在誤差。後者的誤差的效果是與前面那個因素恰恰相反的——它會造成中微子速度被低估。而科學家們暫時無法確定一個高估的因素和一個低估的因素究竟誰佔了上風。定於2012年4月底進行的新的實驗將會以更高的精度來檢測這些因素所造成的效果。「對於"奧普拉』第一次發布的結果，有99.99%以上的物理學家都是懷疑的，第二次結果公布以後可能是90%。我估計可能到最後是一場笑話，90%以上的人是這樣看的。」幾個月前李淼就對南方周末記者做了這樣的表述。在整個事件中，一些編排出來的笑話流傳很廣，其中一個出自Twitter：在一家酒吧門口，酒保說：「我們不允許比光速還快的中微子進到這兒。」話剛落，他看到一顆中微子來到了酒吧門口。（酒保先對中微子說話，後看到中微子。）甚至是歐洲核子研究中心的物理學家也加入到編排笑話的行列，研究主管、來自義大利的物理學家賽吉爾·波特魯西（Sergio Bertolucci）就說，「奧普拉」的實驗結果不可能是正確的，因為它打破了自然界的一條基本法則：在義大利，沒有任何事情是準時的。

探尋宇宙幽靈粒子：中微子宇宙中充斥著令人匪夷所思、幾乎沒有質量的亞原子微粒——中微子。中微子在宇宙大爆炸之後立即以極大數量源源不斷地產生，具體而言，是在恆星上以及其他地方由放射性衰變及其他多種反應產生的。數萬億個（也可以說是數不清的）幽靈般的中微子穿越恆星和行星，其中也包括我們的地球。中微子不帶電荷，不受質子或電子吸引，因此也不與電磁場交互作用。在極小的尺度上，有一種強大的力量——強作用力——把原子核內部的質子和中子結合在一起。但強作用力奈何不了中微子。中微子比超級模特還高傲，它們很少與同類或宇宙中的其他任何東西互動。有點矛盾的是，正是中微子的這種「崇尚自由」的特質，讓它們無論是在宇宙運轉還是在揭示宇宙的一些最大奧秘方面，都充當了重要角色。中微子物理學正進入黃金時代。作為一項實驗的一部分，中微子最近為洞察深空中的高能量源（例如以數萬億千米長的束流噴射粒子的黑洞）打開了一扇窗戶（請參見：《「冰棒望遠鏡」》）。另一項在很深的地下隧道中進行的天文學實驗，將使用中微子來探索遠古超新星的平均溫度和能量水平，以及更好地了解它們的典型行為。物理學家正在運用計算機模型，步步逼近中微子在激發一種超新星（它們負責擴散氧和氮等元素）方面的關鍵作用（請參見：《觀測恆星》）。除了擴展中微子在天文學和天體物理學中的作用之外，物理學家也在試圖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 種不同的質量（請參見：《中微子之謎》）。這一基本信息可能會影響解釋其他粒子質量的理論。在宇宙破曉時期，對於每一個物質粒子（例如電子）來說，都會有一個反電子；對於每一個夸克（理論上一種比原子更小的基本粒子）來說，都有一個反夸克。當這些相反的粒子相遇時，它們應該會互相湮滅，創生純粹的能量。通過決定中微子的另一個令人難以捉摸的基本特性，科學家希望回答理論物理學中最大的疑問之一：為什麼宇宙大爆炸產生的所有物質和反物質並不相互湮滅？為什麼會有物質留下來？最可能的解釋依賴於一種理論：今天幾乎沒有質量的中微子，曾經有過超重的夥伴。這些質量超過質子100 萬億倍的中微子的近親——超重中微子，是由剛好在大爆炸之後存在的極大熱量中形成的。它們擁有特殊的「雌雄同體」能力，既能衰減成物質，也能衰減成反物質。例如，一個這樣的超重粒子或許會衰減為一個中微子再加某個其他粒子——例如電子，而另一個超重粒子則可能衰減成一個反中微子和另一其他某個粒子。超新星殘餘仙后A 座中的炙熱氣體源自恆星爆發（即超新星）。中微子有可能是超新星的重要誘因。為了讓這種理論也能解釋為什麼會有物質存在，這些超重中微子衰減成粒子的速度就不得不快於衰減成反粒子的速度。利用中微子探測器進行研究的物理學家，除了想查明中微子的質量之外，也在研究今天更輕質的中微子從一種類型轉換為另一種類型的速度是否不同於反中微子。可能解釋今天輕質中微子這種行為的理論，或許也能解釋宇宙之初超重中微子的傾向性。如果超重中微子理論是正確的，那麼這些原始的超重粒子就是「超級祖先」——宇宙中的每個粒子都是它們的後代。與中微子有關的發現，已經贏得了3 項諾貝爾獎。而正在進行的這方面更具開創性的實驗，將可能奪得更多的諾貝爾獎。看似無足輕重而又多餘的中微子，在我們認識宇宙方面的作用或許卻是分量最重和必不可少的。希望探測中微子的科學家，必須把探測器建在很深的地下或水下，以過濾持續轟擊地球的宇宙射線。但不管物質密度多大，中微子都能穿越。早在幾十年前，美國威斯康星- 麥迪遜大學的物理學家弗蘭西斯·哈爾森就意識到，南極洲是探測中微子的一個理想地點，因為這裡的冰很厚，足以把數千個光感測器埋在冰下1600 米處甚至更深的地方。當一個中微子偶然撞上冰中的一個原子核，就會產生一個電子或μ 介子（電子的一個更重的近親），在此過程中釋放微光。位於南極洲的一部地下望遠鏡兼粒子探測器——「冰棒」（上圖）能捕捉到這種微光。哈爾森是參與「冰棒」探測計劃的近250 名科學家之一。這些科學家在2012 年5 月發現了兩個中微子的光跡，它們的能量竟然高出此前在地球上探測到的任何中微子能量的1000 倍。在把它們分別命名為「伯特」和「歐尼」之後，對其能量將信將疑的科學家們再度檢查了它們的能量水平的數據，結果又發現了26 個高能中微子。當科學家檢驗直到2013年5月的數據後，他們發現了9 個更高能量的中微子，其中有一個的能量是「伯特」和「歐尼」的能量之和。於是，科學家把它命名為「大鳥」。有些中微子幾乎可以肯定來自於我們所在的銀河系以外，它們或許有助於破解一個已有百年歷史的難題：超高能宇宙射線的源頭在哪裡？科學家相信，這個源頭也產生高能中微子。一些看似可能的源頭是：噴發物質射流的超大質量黑洞，碰撞的星系，或者「生產恆星的工廠」——星爆星系。美國俄亥俄州大學物理學家約翰·比科姆評價說：「"冰棒』正在打開宇宙的一扇窗戶。所有這些年來，我們一直在利用光線（並不只是可見光）研究天文學，這樣的研究實際上很不完整。」中微子形態變化

中微子是出了名的「變形人」。每個中微子出生時都是3 種類型之一（電子中微子、μ 介子中微子和t 介子中微子），但在旅途中，它們可在幾千分之一秒的時間內改變類型，就好像它們尚未決定讓自己變成什麼類型。和其他亞原子微粒一樣，有時候中微子的行為也像是波。但隨著中微子旅行，這種「類型波」以不同方式組合。有時候，這種組合形成的是一個電子中微子（Ve）；也有時候，這種組合形成的是一個μ 介子中微子（Vμ）。因為中微子是量子粒子，所以從定義上說它們本身就很奇異——它們不是一次只屬於一種類型，而是屬於3 種類型的組合。在非常罕見的情況下，中微子會與另一個粒子互動。如果這個反應看來產生了一個電子，那麼中微子在自己的最後時刻就屬於電子類型；如果產生的是一個μ 介子，那麼中微子就是μ 介子類型。如此看來，中微子的身份危機只有在它最終與另一個粒子互動時才能解決。重量級競賽

科學家希望利用中微子的奇異變形行為來解開多個奧秘。他們已經知道其他每一種基本粒子（例如電子）的質量，但中微子的質量充其量只有電子的百萬分之一，再加之中微子的類型轉換方式，所以它們讓人很難捉摸。一旦確定中微子的質量，就無疑會影響有關粒子和力怎樣相互作用的基本理論（即所謂的粒子物理基本模型）。物理學家已經知道這一理論是不完整的，因為它錯誤地預測中微子沒有質量。美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的科學家威廉·路易斯評價說：「如果能確定中微子的質量，就可能有助於了解所有粒子的質量背後的理由。這就相當於，只有把所有拼圖都找到了，拼圖遊戲才會更容易玩。」想要確定中微子的質量，難點在於量子物理學的一個根基——海森堡不確定性原則。這個原則指出，亞原子微粒的某些特性相互關聯，以至於對一個特性的了解越準確，對另一個特性的了解就越不準確。例如，如果確知一個微粒所在位置，就無法知道它的動量。而一旦確知一個粒子的動量，就不可能確知它所在位置。美國印第安納大學物理學家馬克·梅西爾指出，中微子的類型和質量以一種類似方式關聯在一起，也就是說，不可能同時確知兩者。他說：「我們總是測量某種質量組合。如果要問中微子的一個單一類型的質量多大，那其實是沒有意義的。」科學家們知道，每個中微子的質量都是3 種質量的組合。但如果不進行測量，他們就不可能知道這個組合究竟是什麼。梅西爾說，其中兩個質量在大部分時間裡很可能屬於電子中微子，另一個質量有可能屬於電子中微子，卻也可能不是。但是否如此，仍不清楚。科學家們也不確定：3 種質量中最大或最重的，是否最可能屬於一個電子中微子，還是最不可能屬於一個電子中微子？當「左撇子」變成「右撇子」

所有物質都有一個鏡像，叫作反物質。對一個帶負電的電子來說，它的反物質孿生兄弟——正電子與它完全一樣，只是正電子帶正電。如果物質與反物質相遇，它們就會在能量爆發中互相毀滅對方。對中微子的3 種類型中的每一種而言，也都有對應的反中微子，分別是電子反中微子、μ 介子反中微子和t 介子反中微子。由於中微子是中性的，因此它們的反粒子不可能具有相反電荷，但它們的「自旋」方向相反。請注意，中微子太渺小，不會像行星那樣真的自轉。「自旋」指的是一種在某些方面相當於自轉的特性。中微子是「左撇子」，總是相對於自己的運動方向左旋。反中微子則是「右撇子」。一位義大利理論學家指出，正因為中微子是中性的，所以它們可能是自己的反粒子，也就是說，在某些情況下，中微子的行為可能像反中微子。如果這個說法正確，就能滿足「超級祖先中微子理論」（它解釋我們及宇宙中所有物質為何能存在）的一個必要條件。碎裂的鏡子？如果把物理學法則應用於反物質，一切結果都相同，只不過要反向。一個磁場會以完全相同的力量推動一個電子和一個正電子。如果電子被往右推，正電子就被往左推。物理學家希望中微子不一定要遵循這種鏡像效應，這樣一來，中微子就會再度成為「另類」，能夠幫助我們對自然有一種新的認識。在美國和日本進行的相關實驗中，科學家們希望確定中微子變形為其他類型的速度是否不同於反中微子的變形速度。例如，物理學家們不願意說電子中微子轉變成μ 介子中微子的概率是10%，而是寧可這樣問：電子中微子轉化為μ 介子中微子的可能性是否更低？他們觀察到一些其他粒子存在這類「不對稱」行為，從而有人預測中微子也有這樣的行為。如果中微子轉變為其他類型的速度有別於反中微子，那麼這種體現在中微子身上的物質與反物質差異，也存在於時間之初的它們的超重祖先身上。大質量恆星為何會爆發性死亡？一位天體物理學家試圖把它歸咎於中微子。在宇宙中的某些地方，每秒鐘至少有一顆大質量恆星以超新星的形式開始經歷死亡過程——以整個星系中全部恆星的亮度之和，把自己炸得粉身碎骨。在經過50 年的調查後，天文學家仍不清楚超新星發生的確切原因。但德國天體物理學家漢斯·詹卡認為，這個奧秘中的一個主要元兇顯然是中微子。詹卡就職於慕尼黑的馬克斯·普朗克研究院，研究方向是天體物理學。他利用全球最強大的數十台計算機，花了幾十年時間來探究超新星背後令人難以置信的複雜機制。計算機處理能力和物理學的進步，幫助他建立了一些非常複雜的模型，它們不僅能模擬恆星形態的種種細節，而且同時考慮到從恆星旋轉和核反應到愛因斯坦引力理論的所有相關情況。現在，詹卡最新研發的多個模型首次全面描述了在恆星烈焰暴亡景況下的中微子行為。1982 年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家詹姆斯·威爾遜首次嘗試解釋中微子激發超新星爆發的可能機制。他知道，在一顆大質量恆星大約經過1000 萬年時間而燒盡自己的燃料時，它的內核就會迅猛內爆，把所有恆星物質向內推。接著，內爆開始轉變為一種爆發，形成衝擊波。但在幾千分之一秒的時間內，爆發全然終止。然後，「某種東西」造成衝擊波，讓爆發再度開始，最終留下一顆緻密的中子星。威爾遜通過基本的計算機模擬發現，這個「某種東西」就是中微子。當恆星內核中的電子和質子轉變成中子時，會產生超巨量的中微子，其數量級為1 的後面跟58 個0。由於這些中子排列非常緊密，1 茶匙的中子就重達1 億噸，所以中微子會被困在那裡，四處跳躍，與其他粒子（大多數是中子，但也有質子和電子）反應數萬億次。中微子被滯留在星核中的時間只有一秒鐘，但威爾遜相信，在此過程中產生的熱量足以引起超新星爆發。受限於當時的計算機能力和物理學水平，威爾遜研發的模型相對簡單化，例如把恆星視為一個完美的圓球，而且對非常緻密物質的行為和中微子怎樣從恆星核轉移到中子星外層（衝擊波加熱的發生處）做出錯誤的假設。最終，威爾遜的模擬沒有成功。詹卡在威爾遜的這一模擬失敗4 年後得知了它，當時詹卡是慕尼黑技術大學的一名研究生。他認為威爾遜的理論看似行得通，但他研發了一種新的方式來描述超新星的中微子物理學。他之所以能進行這項研發，一個有利因素是能藉助馬克斯·普朗克研究院新近獲得的多部超級計算機，而在整個歐洲有如此機會的地方卻不多。詹卡馬不停蹄地工作，但與此同時他也有一種揮之不去的擔憂：在當時做這方面研究的人可謂寥寥，而他是其中一員，所以詹卡不得不考慮自己讀完博士學位（到時候他將是30 多歲）之後好不好找工作。

但老天眷顧了他。1987 年，自1604 年以來首次裸眼可見的超新星出現在距離地球最近的星系——大麥哲倫雲。在這次超新星發射的數萬億個中微子當中，由地球上的探測器捕捉到的有24 個。這讓中微子研究陡然榮升粒子天體物理學的一個新領域。詹卡說，這不僅導致一項大型的中微子天體物理學研究計劃在慕尼黑啟動，而且讓他本人獲得了永久性職位。1987 年的超新星證實了一個基本圖景：大質量恆星的坍縮星核噴發超巨量中微子。詹卡立即開始構建計算機模型，但與威爾遜一樣，他也不得不假定恆星是圓球——這是由計算機能力的高昂代價所限定的一種過度簡單化。當詹卡運行這些模型時，恆星沒有爆發。在接下來的10 年裡，他與馬克斯·普朗克研究院的同事、天體物理學家埃瓦爾德·穆勒合作創建複雜模型。他們在模型中加入了中微子怎樣交互以及怎樣逃逸出坍縮的恆星核等細節。2005 年，詹卡為一個更精確描繪恆星形狀的模型研發了更複雜的編碼，但它仍然是一種近似。在這個被稱為「二維型」的模型中，詹卡優化了與恆星的其他物質流動相關聯的中微子移動物理過程，但他缺乏超級計算機的使用機會來測試這個模型。到了2006年，幸運再度降臨。馬克斯·普朗克研究院的執行院長問詹卡：如果有70 萬歐元（當時相當於87.5 萬美元），你會拿它做什麼？在詹卡建議下，該院購買了一些當時速度最快的處理器。

在接下來的3 年時間裡，這些計算機被用來連續進行詹卡所希望的模擬研究，尤其是研究「1 秒鐘演化」——從超新星內核坍塌到中子星形成後750 毫秒期間的情況。這項研究最終形成了有關巨恆星死亡的首個複雜二維模型。更重要的是，這一次，模型中的恆星爆發了。詹卡團隊研發出了高度複雜的物理學等式組，描述中微子互動以及恆星氣體怎樣流動和形成泡泡，從而把威爾遜的理論轉化為具象得多、也複雜得多的模擬。但因為詹卡簡化了恆星的形態，所以他新研發的三維模型也沒能破解整個奧秘。目前，詹卡團隊正在把在中微子互動研究中獲得的成果融入到新的、也更高端的模型中，這些模型不再把恆星形態理想化。巴黎和慕尼黑各有一部巨型超級計算機供詹卡在部分時間裡使用，它們的能力相當於3.2 萬個工作站。合起來，它們每秒能執行超過100 萬億次運算。但詹卡發現，這仍然達不到他所希望的計算能力。這些三維模型依然處在嬰兒期，在模擬中，恆星也沒有爆發。最近，詹卡團隊獲得一項為期5 年、總金額400 萬美元的專項撥款，目的是讓三維模型的解析度更高，以及能在時間上向前或向後地進行模擬，並且把模型與觀測到的超新星殘餘聯繫起來。美國加州大學的超新星研究先鋒斯坦福德·伍斯里評價說，詹卡正在這個具有高度競爭性的領域中做著領先的工作。他透露，美國普林斯頓大學和橡樹嶺國家實驗室的團隊也在緊鑼密鼓地開展這方面研究。誰能獲得15 倍太陽質量恆星（即質量相當於太陽質量15 倍的一顆恆星）以合適的能量爆發的三維模式，誰就是勝者，因為這種質量的恆星能合成對於生命（生物）來說很重要的元素。這正是探索中微子之謎的最大誘惑。詹卡說，不管是我們呼吸的氧、血液中的鐵、植物的碳還是沙子的硅，所有組成你我他和地球的物質都是由超新星製造並分配的。我們都是恆星之子，鑄造我們的物質是在數十萬光年外的一次巨型爆發中創製的。在這樣的爆發中，一種沉默無語的幽靈粒子——中微子，最終猛烈地讓我們感受到了它的存在。

雙重麻煩致力於捕捉罕見的互動世界各地正在開展多項旨在捕捉中微子的大型實驗，而這種捕捉必須在中微子並不現身的情況下實現，其難度可想而知。在一种放射性形變——單一貝塔衰變中，一個不穩定原子的原子核中的中子（一種中性粒子）自發地變成質子（一種正粒子），釋放一個電子和一個反中微子。在雙貝塔衰變中，這種反應（互動）是雙重的：兩個中子同時衰變成兩個質子。但一些物理學家相信，這不一定會產生兩個電子和兩個反中微子。在某些情況下，不會產生反中微子。這隻有在中微子是自己的反粒子的條件下才可能，而在此條件下，中子釋放反中微子，然後，轉眼間，反中微子就被作為中微子而被中子吸收。儘管中微子的雙重反身份的發現在許多物理學家的預料之中，它卻與粒子物理的標準模型（現行對粒子與基本作用力行為方式的主流認識）相矛盾，從而可能帶來一種對傳統範例模式的顛覆。如果一個不穩定原子的衰減產生兩個電子，但不產生反中微子，那麼物理學家就將為這種奇特而又古怪的行為找到決定性的證據。在美國新墨西哥州進行的「富氙天文台200」實驗，以及在日本和歐洲進行的同類實驗，正試圖捕捉這種奇妙而又罕見的反應。事實上，科學家們長期以來一直試圖發現這種重要的衰減。

古恆星爆發與新生黑洞S-K 探測器（日本）自1996 年起，建造於一座鋅礦中的日本S-K 探測器一直在一箱5 萬噸的超純水中尋找中微子的跡象——微型閃光。當來自超新星的一個低能量中微子或反中微子與水箱中的一個水分子碰撞時，產生的光信號被1.3 萬隻光電倍增管中的大約100 只記錄下來。光電倍增管是超靈敏的光探測裝置，它把微量閃光轉化成可被記錄的較大的電活動。

但有時候，假的正信號會出現：探測器中的放射性衰減也會產生光，正如大氣層中產生的中微子在與水分子碰撞時會產生光。現在，在S-K 探測站工作的科學家們計劃採用一種方法來消除假的正信號。這種方法由兩名美國物理學家研發，它聚焦的是由超新星產生的反中微子。科學家們將在50 噸超純水中添加一種罕見的土壤金屬元素——釓（符號Gd 音 ga），讓這些水能區分自己是與反中微子相遇了還是被發光的假冒者給騙了。當一個反中微子敲入S-K 探測器水中的一個質子時，質子會變成中子，並且立即發射一個帶正電的粒子，這個粒子在迅速穿越水的過程中發藍光。釓能在中子產生大約20 毫秒後捕捉它，讓它成為自己的原子核，並立即引發伽馬射線爆發。光電倍增管能捕捉全過程。沒有其他粒子交互能產生這種「1-2 型心跳」。這兩次「心跳」發出的光（不一定是可見光）揭示了兩件事：第一次閃光表明反中微子的能力；

第二次光則證實這個粒子是反中微子。目前，S-K 探測器已具備探測來自銀河系中任何地方的超新星爆發的中微子的能力。添加釓將讓這部探測器的靈敏度大大提升，從而能讓它開始採集已知宇宙中一半範圍內任何地方的超新星發出的反中微子，其中包括在數十億年前大質量恆星爆發中產生的低能量和難以探測到的反中微子。添加釓還能讓科學家確定一次典型超新星的溫度和總能量，而這兩者在所有類別的宇宙學和恆星演化模型中都不可或缺。添加了釓的探測器有望在2017 年全面投入使用。它可能會捕捉到黑洞在恆星爆發後的殘餘中誕生的跡象。中微子無法從黑洞逃逸，而添加釓的S-K 探測器將能探測到中微子流突然關閉的跡象。有了釓，S-K探測器就能觀測恆星核初始坍縮幾分鐘後或幾小時後的情況，而沒有釓的話，這個時間僅限於10 秒左右。

高高在上「安妮塔」由氣球搭載的「安妮塔」（全稱是「南極瞬態脈衝天線」。上圖）已經在2014 年年末升空。它試圖探測宇宙中最高能量的中微子。這些中微子被認為源自超高能宇宙射線。這些射線與大爆炸後剩下的、如今依然充滿宇宙的低能量不可見光子相撞時，就產生最高能量的中微子。是什麼現象在創生並發射這些中微子的宇宙射線源頭呢？也許是超級新星（科學家們戲稱其為「吃了興奮劑的超新星」），也可能是迅速自旋的黑洞，但更可能是超大質量黑洞。由美國宇航局贊助的「安妮塔」最終會升至南極冰冠上空3.5萬米高度。在環繞南極的過程中，「安妮塔」的天線能一次性掃描100 萬立方千米的空間，尋找超高能中微子擊中冰原子核時發射的無線電波。順便提一句，現在已經是「安妮塔」的第3 次旅行了。很有分量的諸多問題

「諾瓦」實驗（美國）2013 年，美國物理學家開始以每秒150 萬億個中微子的速度，從美國芝加哥以西的費米國家實驗室向美國明尼蘇達州的一部探測器發射中微子。這趟距離為810 千米的地下旅行，費時僅僅2.7 毫秒。這項實驗的正規名稱是「魯米軸偏離電子中微子外相實驗」，簡稱「諾瓦」。這項任務依賴的是一部1.54萬噸級別的探測器，它包含1.14 萬立方米的水溶液和一種被稱為「閃爍體」的材料。「閃爍體」吸收入射粒子的能量，並且以光的形式發射能量。在費米實驗室發射的超大量中微子當中，每周只有大約10 個中微子與「閃爍體」交互。但這個結果很重要，因為它是一種光的指針，能揭示中微子的類型和能量。在過去13 年裡，超過200 位科學家、工程師和技術人員幫助設計和建造費米實驗室的這一旗艦項目。美國印第安納州大學物理學家馬克·梅西爾是「諾瓦」計劃的領導者之一。他說，「諾瓦」在揭示中微子的新特性方面很可能邁出下一個大步伐。「諾瓦」的目標之一是幫助查明中微子類型3 種組合中的哪一「諾瓦」實驗採用了28塊這樣的探測塊，其中每塊的長和寬都是15.5米。哪個最重，哪一個最輕，即所謂的質量序列問題。質量是中微子的一個基本卻又神秘的特性，它影響著眾多的物理學理論，原因是中微子的質量來源依然不明。「諾瓦」項目中的中微子一開始是μ 介子類型，但它們接著就啟動了轉化為電子中微子的典型過程。電子中微子之所以特殊，是因為它們能與地球交互：它們能與原子中的電子單獨進行有意義的互動。「諾瓦」實驗的關鍵在於，電子中微子類型的質量越大，它們就越可能與810 千米旅途中遇到的物質交互。梅西爾解釋說，因為地球電子能「拖曳」電子中微子，實際上這就賦予了電子中微子一些附加的質量。這種效應決定著中微子的變形速度。如果電子中微子傾向於擁有最輕的質量組合，這種來自於它們與地球互動的附加重量就會讓它們轉變成μ 介子中微子的速度更快，這是由於它們能「混合」或「重疊」μ介子的質量（實際上是指這些粒子的波粒二象性）。另一方面，如果電子中微子包含最重的質量，那麼附加的由地球誘導的質量就會讓它們較少地與其他兩種類型的中微子混合。「諾瓦」團隊正在用反中微子做實驗。梅西爾說，反中微子提供了一種寶貴的對比。或許這一實驗會給出一些提示，即中微子與反中微子的變形速度是否不同。不過，這又是一個雖然不同尋常、但也並非完全出乎預料的中微子特性。中微子金獎1988 年 美國物理學家利昂·萊德曼、梅爾文·舒瓦茨和傑克·斯坦伯格贏得諾貝爾物理學獎，理由是他們研發了一種在粒子對撞機中產生中微子束的方法，並且還發現了μ 介子中微子。1995 年 美國物理學家弗雷德里克·雷因斯奪得一項諾貝爾獎，原因是他從1953 年的一項被戲稱為「幽靈」的實驗中首次探測到中微子。雷因斯的合作者克萊德·科萬已在此之前21 年離世。2002 年 美國物理學家雷·戴維斯被授予諾貝爾獎。他使用埋於美國南達科他州地下、裝著600 噸乾洗液的箱子，探測到了來自太陽的中微子。與戴維斯分享這個獎項者是日本的小昌柴俊，他使用日本的探測器證實了戴維斯的探測結果，並且捕捉到了來自附近星系中超新星爆發的中微子。中微子和中微子振蕩是個什麼東西？北京時間10月6日下午，瑞典皇家科學院宣布，2015年諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麥克唐納（Arthur B。 McDonald），以表彰他們發現中微子振蕩，證明中微子有質量。

　　那麼，中微子和中微子振蕩到底是個什麼東西呢？用四張圖來帶你了解這一切：　　撰文 伊麗莎白·吉布尼（ELIZABETH GIBNEY）　　繪圖 奈傑爾·霍庭（NIGEL HAWTIN）　　文章來源：環球科學　　翻譯 李韻琦　　審校 張旭陽　　中微子是除光子外數量最為巨大的粒子，但它們與其他物質的相互作用很弱，地球表面每平方厘米的面積里，每秒鐘有超過1000億中微子穿過，卻幾乎不被人覺察。中微子曾經被認為是無質量的，而實際上，它們有一個極其微小的質量，並可以在傳播過程中改變類型，這種匪夷所思、出人意料的性質令物理學家們十分費解。事實上，我們對於中微子的了解非常之少。「這是我們已知的宇宙最普遍存在的實物粒子，同時可能也是最神秘的。」奈傑爾·洛克耶（Nigel Lockyer）表示。奈傑爾·洛克耶是美國費米國家加速器實驗室（也就是著名的費米實驗室「Fermilab」）的主任。　　四項前所未有的實驗有望改變現狀。其中，中國和印度的兩個項目已經獲得許可，而日本和美國的建造探測器方案也在規劃當中。為了防止其他粒子的干擾，四個實驗基地都將深埋於地下。這些實驗中心將檢測到更多的中微子，並能比任何現有實驗更詳細地研究中微子的轉換過程。　　研究結果有望助力於解決某些宇宙學中最基本的問題。有一些實驗將會自己製造出中微子，所有實驗都會使用他們從太陽或從超新星爆炸中捕獲的所有中微子。「中微子的時代，」洛克耶說，「會持續很長的一段時間。」

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