用水晶球逼“幽灵粒子”现身

黄增强

在我国广东江门界于阳江核电站与台山核电站两座核电站之间，正在挖掘一个巨大的空洞，空洞中建有一个超级实验室，安装了一个12层楼高的水晶球。科学家们将用这一巨器逼“幽灵粒子”中的微子现身，吐露其秘密身世。

中微子，又被称作微中子，是轻子的一种，也是组成自然界最基本的粒子之一。它个头小、质量非常轻（小于电子的百万分之一），不带电荷，以接近光速的运动可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用。中微子由于极为神秘且难以捕捉，所以有“幽灵粒子”之称。

中微子分为电子中微子、缪中微子和陶中微子三种。一个质量几乎为零的中微子，不像光子一样都有两个偏振态，它只有一个偏振态，只有一个左旋而没有右旋，这就使得它在弱相互作用中不守恒。另外，中微子还有一个特别奇怪的性质，就是它可以发生振荡。所谓振荡，就是指中微子在飞行当中，如电子中微子可以变成缪中微子，然后又变回电子中微子。

中微子的作用十分广泛，如它能监测核武器制造：当利用核反应堆提取核武器原料“钚”时，所产生的中微子流量会上升，所以通过中微子探测器发出的信号，可以监测其是否有制造核武器的可能;它还能找到反物质：在过去的近百年里，人类始终没有发现自然界中有反物质存在的迹象，可能的答案只有两种——反物质已经彻底不存在了，或者它仍存在于别处。而中微子振荡参数矩阵中的最后一个参数——CP相位角或许将最终揭开谜底;它甚至能给地球做CT：中微子可用于地球断层扫描，进入我们无法触及的地球深部，让人类对地球的构造、资源勘探有更加深刻的认识与了解，同时，让地震预报成为现实。中微子与我们的关系十分密切，可以说没有中微子，就不可能有地球上的生命。

鉴于中微子与人类密切相关，所以世界各国的科学家都十分重视对中微子的研究。为了观测和捕捉中微子，科学家们颇费周折。20世纪20年代末，科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时发现，在这个过程中有一部分能量不知去向，前后能量不守恒，这使得科学家们不胜困惑。当时年仅30岁的奥地利物理学家保利对能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直覺预言：在此过程中，必定还有一种不带电的、质量极小的与物质相互作用极弱，以至于无法探测到的新粒子放出来，是它带走了那一部分能量。他把这种未知的粒子叫作“小中子”，就是现在说的“中微子”。 2005年，美国、日本等8个国家的科学家在南极点下面一个边长1千米的立方体冰层内部建了一个“冰立方”中微子望远镜观测站。2012年4月，“冰立方”在大麦哲伦云星系的一颗超新星爆发期间发现了两起能量大于1000万亿电子伏特的中微子事件。

2007年10月，我国开工建设大亚湾中微子实验室，利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子来寻找和发现中微子。要想捕捉和发现中微子，首先要发现中微子的振荡模式。自然界中有三种中微子振荡，即大气中微子振荡、太阳中微子振荡、反应堆和加速器中微子振荡。前两种振荡模式分别被日本的梶田隆章和加拿大的麦克唐纳等科学家发现了，而反应堆和加速器中微子振荡模式就像宇宙中的“隐身人”，一直未被发现。2012年3月8日，大亚湾实验室在实验中发现了反应堆和加速器中微子振荡模式，被称为中微子物理的一个里程碑，被国际粒子物理界评价为“开启了未来中微子物理研究的大门”。

为了早日寻找和发现中微子，2014年年底，中微子超级实验室在广东江门动工。新建的超级实验室，位于阳江核电站与台山核电站两座核电站之间。在700多米深的花岗岩下的山体隧道中挖掘了一个直径50米、高70米的巨型大厅，大厅里安置了一个12层楼高的水晶球，水晶球会一次次闪烁。这个水晶球是一个直径35.4米、厚12厘米的空心有机玻璃球，它浸泡在一个灌有3万吨液体（叫作液闪）作为靶物质的池里，被钢架拴牢。水池是圆柱体，直径43.5米，深44米，水池上方是各种测量设施。

江门中微子实验室安置的实验装置，是我国最复杂的高能物理实验装置。实验室里安装的水晶球是人类制造过的最大的有机玻璃球，目前世界上用于粒子物理的有机玻璃球比它小20倍。现在，由我国主持的江门中微子实验这项超级实验，已有来自中国、捷克、法国、芬兰、德国、意大利、俄罗斯和美国等17个国家和地区，77所高校与科研院所，600多位科学家及科研人员加入此项合作组织参与实验。

江门中微子超级实验室将于2019年年底建成并投入运行，计划至少运行20年。实验室投入运行后，水晶球将会逼中微子这个“幽灵粒子”现身，吐露其身世秘密。