撼動(dòng)宇宙的小粒子——中微子 | 天問(wèn)專欄
?太陽(yáng)不只賦予我們光，還發(fā)射了無(wú)數(shù)中微子，穿過(guò)我們的身體。圖片來(lái)源：NASA
導(dǎo)讀：
來(lái)自宇宙大爆炸后瞬間的中微子正飄蕩在宇宙的各個(gè)角落，而地球上最大的探測(cè)實(shí)驗(yàn)也捕捉不到它們的身影?？茖W(xué)家們正試圖用整個(gè)宇宙來(lái)作為“探測(cè)器”，去給宇宙中微子們“稱重”。
天問(wèn)專欄第十六期，帶你走進(jìn)中微子稱重現(xiàn)場(chǎng)。
撰文 | 劉 佳 （普林斯頓大學(xué)）
責(zé)編 | 呂浩然
天問(wèn)專欄
· 他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼（附一至十期文章）
· 有人要挑戰(zhàn)暗物質(zhì)理論，并邁開(kāi)了“萬(wàn)里長(zhǎng)征”的第一步
· 科學(xué)家錯(cuò)了怎么辦：有人承認(rèn)自己搞砸了，也有人拒絕這么做
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“如果你把大拇指豎起來(lái)，每一秒鐘，就有700億中微子從你的拇指中穿過(guò)。”
“700億？！”聽(tīng)到這個(gè)數(shù)字，媽媽嚇了一跳，趕緊把手揣回口袋。
可事實(shí)卻是，媽媽試圖阻止中微子在她身體穿行的動(dòng)作其實(shí)并不管用：一顆中微子在太陽(yáng)內(nèi)核產(chǎn)生后，只要2秒就可以離開(kāi)太陽(yáng)表面，然后以近光速的速度飛行八分鐘后到達(dá)地球。它們毫無(wú)阻礙地穿過(guò)整個(gè)地球只需要0.02秒，“所以你的口袋對(duì)它們來(lái)說(shuō)根本就是透明的啦！”
“不過(guò)不用擔(dān)心，”我告訴媽媽，“中微子是無(wú)害的?！?/p>
然而，這種無(wú)害而又細(xì)小的粒子卻在宇宙中扮演著重要的角色。
我們目前知道的有四種力：引力、電磁力、弱力及強(qiáng)力。后兩者只發(fā)生在原子核內(nèi)部，所以我們平時(shí)都感受不到。除了引力，中微子只參與弱力（比強(qiáng)力弱非常非常多），它們可以毫不費(fèi)力地穿過(guò)一光年厚的鉛墻，也不撞上任何其它粒子！
也正因?yàn)橹形⒆硬蝗菀缀推渌Ｗ影l(fā)生反應(yīng)，很長(zhǎng)一段時(shí)間，我們都不知道它的存在。
1920年代，眾多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在β衰變中，能量守恒定理不管用了。按理說(shuō)，中子衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子（n → p + e）的話，電子的能量應(yīng)該永遠(yuǎn)是中子和質(zhì)子的能量差。但實(shí)際測(cè)量到的電子卻有各種能量，并且都比預(yù)測(cè)的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了！
這是怎么回事？物理學(xué)家們開(kāi)始懷疑物理定律，覺(jué)得也許他們奉為黃金準(zhǔn)則的“能量守恒定理”沒(méi)想象中那么管用。
1930年12月4日，在德國(guó)圖賓根市有一個(gè)物理大會(huì)。鮑利（Wolfgang E.Pauli，1900 - 1958）讓朋友在會(huì)上宣讀了一封他的信，建議說(shuō)這個(gè)“消失的能量”可以用一個(gè)新的粒子來(lái)解釋。也就是說(shuō)，中子衰變后，除了質(zhì)子和電子，還有第三個(gè)粒子被制造出來(lái)。
?鮑利1930年來(lái)信原文，圖片來(lái)源：CERN
在信的最后，鮑利解釋自己為什么無(wú)法親自出席會(huì)議，“因?yàn)槲以谌鹗刻K黎世有個(gè)派對(duì)要去”——“噗，生活蠻愜意的嘛！”我心想。不過(guò)我猜也許他怕被大家炮轟，所以隨便找個(gè)借口也不一定。
他在信里補(bǔ)充說(shuō)，“我的建議實(shí)在不可信，如果真是這樣的話，我們?cè)趺催€沒(méi)觀測(cè)到那個(gè)新粒子呢？”他后來(lái)也一直覺(jué)得這個(gè)猜測(cè)太離譜，根本就沒(méi)有花時(shí)間把它寫進(jìn)論文里。倒是在1934年，費(fèi)米（Enrico Fermi，1901 - 1954）覺(jué)得這個(gè)想法不錯(cuò)，就把這顆新粒子加進(jìn)了他的β衰變理論里，并取名為“中微子”（neutrino）–––來(lái)自意大利語(yǔ)，意為“中性的微小粒子”。
在鮑利猜想后的第26年，中微子終于在1956年被科溫（Clyde Cowan，1919 - 1974）和萊因斯（Frederick Reines，1918 - 1998）等人用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。他們用兩個(gè)各裝有一百升水的容器作為探測(cè)器，發(fā)現(xiàn)從核反應(yīng)堆里產(chǎn)生的中微子與容器里的質(zhì)子作用，發(fā)生β衰變并產(chǎn)生伽馬射線和中子。鮑利在這次發(fā)現(xiàn)不久后去世，也算是幸運(yùn)地在有生之年看到了中微子的成功探測(cè)。
上世紀(jì)六十年代，問(wèn)題又來(lái)了。人類那時(shí)已經(jīng)有能力探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子。其中最著名的是美國(guó)南達(dá)科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克（Homestake）實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)也已經(jīng)有了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型，可以通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)中心核聚變的速率，推算出每一秒有多少中微子被太陽(yáng)射出來(lái)[1]。
但是在地球上探測(cè)到的太陽(yáng)中微子，卻只有預(yù)測(cè)的三分之一。人們懷疑：不是太陽(yáng)模型的理論錯(cuò)了，就是中微子實(shí)驗(yàn)出了毛病！不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了？
然而結(jié)果讓人大跌眼鏡——太陽(yáng)模型理論沒(méi)錯(cuò)，中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也沒(méi)錯(cuò)！問(wèn)題出在中微子身上，它們比我們想象中的要更有趣！
“中微子振蕩”解釋了這個(gè)謎題的答案。中微子有三種“味”，分別為電子e、渺子μ和陶子τ中微子。當(dāng)然這里說(shuō)的“味”不是味覺(jué)的“味”，而是基礎(chǔ)粒子的一種屬性。任何一味的中微子都會(huì)隨著時(shí)間變化而“變味”（也就是振蕩）。
太陽(yáng)內(nèi)核只生產(chǎn)電子中微子，但是電子中微子在穿越真空來(lái)到地球的過(guò)程中會(huì)來(lái)回“變味”——有時(shí)是渺子中微子，有時(shí)是陶子中微子，有時(shí)變了一圈又回到電子中微子。所以當(dāng)它們被地球上（只能探測(cè)到電子中微子）的探測(cè)器所捕獲時(shí)，已經(jīng)有2/3的電子中微子變成了另外的味。
?不停“變味”的中微子，圖片來(lái)源：Johan Jarnestad/The Royao Swedish Academy of Sciences
加拿大位于地下2.1公里的薩德伯里中微子天文臺(tái)（SNO）在直徑12米的球型容器中裝了1000噸重水，他們通過(guò)對(duì)中性流相互作用和電子彈性散射作用的分析，對(duì)所有三個(gè)味的中微子都有靈敏度。SNO最終探測(cè)到了和預(yù)期數(shù)量吻合的太陽(yáng)中微子，證實(shí)了太陽(yáng)中微子振蕩。
?加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)，圖片來(lái)源：薩德伯里中微子天文臺(tái)
同一時(shí)期，日本在富山縣茂住礦山一個(gè)深達(dá)1公里的廢棄砷礦里建造了超級(jí)神岡探測(cè)器（Super Kamiokande）：在一個(gè)高為41米、直徑39米的圓柱形大容器里裝了5萬(wàn)噸高純度水。他們的觀測(cè)目標(biāo)是地球大氣層中產(chǎn)生的渺子中微子。通過(guò)對(duì)比頭頂（振蕩發(fā)生前）和腳底（振蕩發(fā)生后，從地球另一端穿過(guò)來(lái)的）的渺子中微子數(shù)量，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)成功證實(shí)了大氣層的中微子振蕩。
?日本的超級(jí)神岡探測(cè)器，在實(shí)驗(yàn)初期（1996年）往探測(cè)器內(nèi)灌水。圖片來(lái)源：東京大學(xué)
寫到這里，也許你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，大部分的中微子探測(cè)器都是在很深的地下。為什么呢？這么做的原因是地球表面充斥著來(lái)自外太空的高能粒子“宇宙線”，可以產(chǎn)生類似中微子的信號(hào)。把探測(cè)器埋在地下，可以利用地球來(lái)屏蔽這些宇宙線，以降低噪音的干擾。（PS：請(qǐng)不要問(wèn)我宇宙線是從哪里來(lái)的，我也不知道……不過(guò)有跡象顯示宇宙線來(lái)自于銀河系外的超級(jí)高能事件，比如超新星爆炸和活動(dòng)星系核。）
中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，證明了中微子質(zhì)量不為零。在相對(duì)論中，質(zhì)量為零的粒子以光速運(yùn)行，時(shí)間對(duì)它們來(lái)說(shuō)是靜止的，因此它們“不知道”時(shí)間的存在。而“振蕩”的發(fā)生要求中微子“知道”時(shí)間流逝了多少，然后相對(duì)地去“變味”，進(jìn)而證明了中微子質(zhì)量必須不為零。
“中微子質(zhì)量不為零”這個(gè)結(jié)論強(qiáng)迫我們?nèi)バ拚暗牧Ｗ游锢怼皹?biāo)準(zhǔn)模型”。“標(biāo)準(zhǔn)模型”描述了基本粒子的性質(zhì)和相互作用，里面包括6個(gè)夸克、6個(gè)輕子、4個(gè)規(guī)范玻色子，還有1個(gè)希格斯玻色子。信不信由你——僅僅這17個(gè)粒子（以及它們的反粒子），就能精確地描述我們所在的這個(gè)世界！桌椅、花草、各種顏色的光芒、你自己和所有你愛(ài)的人，都是由這些粒子所組成！（不過(guò)，一個(gè)大大的“不過(guò)”，暗能量和暗物質(zhì)暫時(shí)無(wú)法由它們描述，但這就要留到以后再講了?。?/span>
?粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，最后一行的綠色粒子為中微子，他們的質(zhì)量目前未知。圖片來(lái)源：維基百科
在最初的模型中，三個(gè)中微子都是質(zhì)量為零。目前為止，我們雖然知道它們的質(zhì)量不為零，但卻不知道具體質(zhì)量是什么。測(cè)量質(zhì)量——聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單的一件事（我媽：“放在秤上量一量就好了嘛！”），實(shí)際操作起來(lái)，卻因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室里中微子只通過(guò)弱力起作用而變得極端棘手——β衰變幾乎是唯一的辦法。
德國(guó)的卡爾斯魯厄氚中微子（KATRIN）實(shí)驗(yàn)就是試圖通過(guò)觀測(cè)氚原子的β衰變來(lái)尋找答案。氚（3H，讀作：chuān）又稱超重氫，原子核由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，比普通的氫原子（氕，讀作：piē）多出兩個(gè)中子，其β衰變產(chǎn)生的電子擁有較小的能量，所以很適合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。KATRIN將測(cè)量β衰變后的電子能譜。電子能譜終點(diǎn)與零質(zhì)量曲線相比所缺少的能量，就是中微子的質(zhì)量。為什么知道了能量就等于知道了質(zhì)量？是愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程（E=mc2，即能量＝質(zhì)量*光速平方）告訴我們的。
KATRIN的設(shè)想很美好，但是現(xiàn)實(shí)卻很殘酷——如果說(shuō)中微子質(zhì)量為1eV的話（保守的上限，實(shí)際可能還要更低），能進(jìn)入最高的1eV能譜的，即“有用”的電子只占所有電子的2x10-13，也就是20萬(wàn)億顆電子里才有一顆……無(wú)論如何，KATRIN實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中，讓我們拭目以待吧！
?2006年11月25日，特殊制造的卡車正載著200噸重的KATRIN探測(cè)器，小心翼翼地穿過(guò)德國(guó)小鎮(zhèn)符騰堡（Leopoldshafen），運(yùn)往卡爾斯魯厄科研中心。圖片來(lái)源：卡爾斯魯厄科研中心
?德國(guó)的卡爾斯魯厄氚中微子（KATRIN）實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量β衰變的電子能譜終點(diǎn)來(lái)限制中微子質(zhì)量。左圖為電子能譜，右圖為能譜終點(diǎn)放大圖，紅線為零質(zhì)量的預(yù)期，藍(lán)線為質(zhì)量為1eV的中微子。也可以理解為，灰色小三角顯示的“失去的能量”就是被中微子的靜止質(zhì)量帶走的。圖片來(lái)源：KATRIN實(shí)驗(yàn)
在宇宙大爆炸發(fā)生后的瞬間，整個(gè)宇宙像一碗超級(jí)熱湯，各種粒子（包括中微子）不停地產(chǎn)生和泯滅。而當(dāng)宇宙迅速膨脹，粒子密度驟然下降后，中微子再也撞不上其它（有電磁力和強(qiáng)力作用的）粒子了，于是在宇宙大爆炸后僅一秒鐘，中微子就停止了和其它粒子的弱力作用，從此在宇宙中自由飄蕩——這就是宇宙中微子背景輻射[2]。
你也許聽(tīng)說(shuō)過(guò)另一種宇宙背景輻射，宇宙微波背景輻射，它和中微子背景輻射的原理類似，是與電子分離后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景來(lái)源于宇宙誕生后約38萬(wàn)年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于中微子背景。
今天，這些來(lái)自宇宙初期的中微子無(wú)處不在地填滿了宇宙的各個(gè)角落，你的一杯水中就有幾千個(gè)宇宙中微子?？上У氖?，我們無(wú)法像探測(cè)太陽(yáng)中微子一樣探測(cè)這些宇宙中微子，因?yàn)樗鼈兊哪芰繉?shí)在太弱了，根本就無(wú)法“撞”動(dòng)我們探測(cè)器中的原子核[3]。
?宇宙中微子和其他來(lái)源的中微子能量對(duì)比，圖片來(lái)源：Ulrich F. Katz and Christian Spiering（2012）
于是科學(xué)家們腦洞大開(kāi)，試圖用整個(gè)宇宙來(lái)做這些中微子的探測(cè)器。這次，我們利用的不是中微子的弱力作用，而是它們的引力作用。
我們今天看到的星空中的各種星系和星系團(tuán)，是宇宙中物質(zhì)引力作用的結(jié)果。而冷暗物質(zhì)占了所有物質(zhì)的85%，所以對(duì)宇宙的演變有決定性作用。冷暗物質(zhì)不具有電磁力和強(qiáng)力，只通過(guò)引力相互作用（不過(guò)我們尚不知它們是否有弱力）。宇宙初期，物質(zhì)分布只有微小的不均勻。在宇宙膨脹后，在冷暗物質(zhì)的引力作用下，密度高的地方吸進(jìn)越來(lái)越多的物質(zhì)，密度低的地方則變得越來(lái)越空曠，于是這些不均勻慢慢變得越來(lái)越明顯。宇宙中密度最高的地方便形成了我們所熟悉的星系和星系團(tuán)。
?電腦模擬宇宙中物質(zhì)分布的演變過(guò)程。左上角為134億年前的遠(yuǎn)古宇宙，右下角為今天的宇宙。圖片來(lái)源：Andrey Kravtsov and Anatoly Klypin
作為“熱暗物質(zhì)”，宇宙中微子可不像冷暗物質(zhì)那么乖乖地就往高密度的地方走。由于它們產(chǎn)生于宇宙初期極端高溫時(shí)期（約300億攝氏度?。?/span>，宇宙中微子擁有非常高的動(dòng)能，所以即使路過(guò)高密度區(qū)域，仍然可以輕而易舉地逃逸掉。冷暗物質(zhì)就像我們和周圍大部分的家具一樣，因?yàn)闆](méi)有什么初始速度，便牢牢地被地心引力綁在地面上。而宇宙中微子就好像馬斯克的特斯拉轎車一樣，憑借著獵鷹重型火箭的強(qiáng)大推動(dòng)力，逃脫地心引力，沖向太空。
下面的對(duì)比圖顯示了1.9eV中微子（左圖）和零質(zhì)量中微子（右圖）的兩個(gè)宇宙中，可見(jiàn)物質(zhì)的分布[4]。紅色是高密度區(qū)域，藍(lán)色是低密度區(qū)域。非零質(zhì)量中微子的存在，仿佛在宇宙的“國(guó)畫”上潑了一層墨，把細(xì)線都暈開(kāi)了。也正是對(duì)宇宙中這些大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，讓我們有可能去限制中微子的具體質(zhì)量。
?電腦模擬宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)的分布。左圖假設(shè)宇宙中微子質(zhì)量為1.9eV，右圖則假設(shè)宇宙中微子質(zhì)量為零。圖片來(lái)源：Shankar Agarwal and Hume A. Feldman（2011）
事實(shí)上，普朗克太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)宇宙學(xué)的數(shù)據(jù)，在2016年得出了0.23eV的中微子質(zhì)量上限[5]，這離來(lái)自粒子物理實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量下限0.06eV已經(jīng)不遠(yuǎn)了。
我從去年開(kāi)始對(duì)宇宙中微子產(chǎn)生興趣——感嘆中微子質(zhì)量如此之輕，卻撼動(dòng)了整個(gè)宇宙。我和同事們花了一年時(shí)間把中微子加入我們的宇宙模擬中。用超過(guò)兩百萬(wàn)的核小時(shí)運(yùn)算時(shí)間（相當(dāng)于用筆記本電腦算上兩百年），最后，我們記錄了100個(gè)不同質(zhì)量的中微子對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)演變的影響[6]。
測(cè)量中微子的質(zhì)量，不僅僅是給粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型填補(bǔ)空白那么簡(jiǎn)單。中微子和其它的費(fèi)米子相比，質(zhì)量微小得有些詭異，電子（中微子以外最輕的費(fèi)米子）的質(zhì)量至少是中微子的百萬(wàn)倍。如果中微子也和其它的粒子一樣，都是通過(guò)希格斯玻色子獲得質(zhì)量，為什么它的質(zhì)量會(huì)如此微?。侩y道它們的質(zhì)量是通過(guò)其它的物理機(jī)制獲得的？對(duì)于中微子質(zhì)量的準(zhǔn)確測(cè)量，將幫助我們回答這些問(wèn)題，甚至給粒子物理的未來(lái)發(fā)展指明方向。
作者簡(jiǎn)介
劉佳，廣東商學(xué)院工商管理學(xué)士（2006），美國(guó)哥倫比亞大學(xué)天體物理博士（2016），現(xiàn)為美國(guó)普林斯頓大學(xué)天體物理系博士后。研究領(lǐng)域?yàn)橛钪鎸W(xué)模擬和數(shù)據(jù)分析。劉佳在研究之余喜歡在自己的公眾號(hào)“丹麥洗衣房”（danishlaundromat）里記錄科研和生活的小體會(huì)。
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參考文獻(xiàn)：
[1] John N. Bahcall, “Neutrinos from the Sun”, Scientific American, Volume 221, Number 1, July 1969, pp. 28-37.
[2] Julien Lesgourgues and Sergio Pastor, “Massive neutrinos and cosmology”, Phys. Rep. 429, July 2006, pp. 307–379
[3] Ulrich F. Katz and Christian Spiering, “High-Energy Neutrino Astrophysics: Status and Perspectives”, Progress in Particle and Nuclear Physics, Volume 67, Issue 3, July 2012 p. 651-704.
[4] Shankar Agarwal and Hume A. Feldman, "The effect of massive neutrinos on the matter power spectrum", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 410, Issue 3, January 2011, pp. 1647-1654.
[5] Planck Collaboration, "Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters", Astronomy & Astrophysics, Volume 594, id.A13, September 2016
[6] Jia Liu, Simeon Bird, Jose Manuel Zorrilla Matilla, J. Colin Hill, Zoltan Haiman, Mathew S. Madhavacheril, Andrea Petri and David N. Spergel "MassiveNuS: Cosmological Massive Neutrino Simulations", JCAP In Press, 2018 (arxiv: https://arxiv.org/abs/1711.10524)
制版編輯：Livan｜
