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文章来源：微信公众号 2017-08-10 它们冷落最高雅的气体，无视最坚固的墙 Neutrinos, they are very small.（中微子，他们非常小。） They have no charge and have no ma（他们没有收费，没有没有） And do not interact at all.（而且根本不要互动。） The earth is just a silly ball（地球只是一个愚蠢的球） To them, through which they simply pass,（对他们来说，他们只是通过他们，） Like dustmaids down a drafty hall（像尘土飞扬的大厅一样） Or photons through a sheet of glass.（或通过一片玻璃的光子。） 为了描述构成万物的基本粒子（比如电子、夸克等）以及它们之间的相互作用，物理学家在上个世纪构建起了粒子物理学的标准模型。自2012年科学家发现希格斯粒子之后，标准模型预言的所有粒子都已经被找到。然而，这并不意味着粒子物理学家可以高枕无忧，相反，它预示着一个新时代的来临。 我们都知道标准模型并不是终极理论，有许多问题是它无法回答的，比如暗物质、物质-反物质不对称性和强CP问题等。为了寻找新的突破，物理学家寄厚望于研究希格斯粒子的性质以及寻找新的粒子，但就目前而言，零结果的阴影笼罩着粒子物理学界。为此，中国、欧洲、日本都竞相提出建造更大型的粒子对撞机，希望能够“撞”出新物理。 然而，有另外一群科学家则把焦点放在了中微子（Neutrino）身上。作为基本粒子之一，中微子从它被预言的那一刻起，就散发着无穷魅力。根据标准模型的预言，中微子是没有质量的，而在实验中发现的中微子振荡（即中微子在传播过程中可以变成其它类型的中微子）却表明中微子具有非常小的质量。这是目前发现的唯一有实验证据表明超越标准模型的现象。物理学家在研究中微子的道路上，已经获得了好几个诺贝尔奖。今年初，大亚湾中微子实验室也摘得了2016年度国家自然科学奖。 最近，中微子的相关研究再度走入了我们的视线。7月21日，美国的深地中微子实验室（DUNE）正式动工，标志着美国即将开启中微子物理学的新时代。而在上周，两个中微子实验室也有了新的进展。 They snub the most exquisite gas,（他们冷落最精致的气体，） Ignore the most substantial wall,（忽略最坚固的墙壁，） Cold-shoulder steel and sounding brass,（冷肩钢和发出黄铜，） Insult the stallion in his stall,（侮辱马在他的摊位，） And, scorning barriers of class,（而且，嘲笑阶级的障碍，） Infiltrate you and me! Like tall（渗透你和我！喜欢高大） And painless guillotines, they fall（和无痛的断头台，他们倒下了） Down through our heads into the grass.（穿过我们的头，进入草地。） 43年前的预言 “地球对它们而言就像是颗愚蠢的球，想穿过就穿过，就像清洁工走过通风良好的大厅，或者光子穿过玻璃。” 这里的“它们”正是小说家John Updike笔下的中微子。他描述了中微子的一个“臭名昭著”的特征：几乎不与物质反应！这就意味着如果我们要在实验室中抓住它们，就必须建造包含几万甚至数十万吨探测材料的庞大探测器，才能增加中微子和物质间的反应几率。 由于中微子的质量非常低，以及它们倾向于不与物质发生作用，因此想要简单的探测到一个中微子撞上另一个粒子的想法似乎很荒谬。这正是美国橡树岭国家实验室的科学家在8月3日发表在《科学》杂志中所发现的：当一个中微子撞上原子时，将自己微末动量中的部分动量传递给了原子核，科学家利用光电探测器记录到了这一事件发出的短暂的闪光。 以往，我们探测到的中微子反应都涉及到了中微子撞击目标材料，并触发某种粒子转换。但在此次实验中，美国橡树岭国家实验室的科学家想看到的是中微子击中原子核，并轻轻推动它。更精确的说，他们所寻找的是通过交换一个长波长的 Z 玻色子和其中一个原子核的夸克，中微子会传递部分动量给原子核，之后原子核会通过辐射光子损失掉这部分能量。这个反应过程在43年前就已经有了坚实的理论预测，但一直无法被探测到。
（图片来源：D. Akimov et. al.） A：低能的中微子与原子核内所有的核子发生散射，这个过程被称为“相干弹性中 微子-原子核散射”。发生相干散射的关键是能量转移足够小，如此长波长的Z玻色子就 可以探索整个原子核，并与之相互作用。 B：利用碘化铯晶体（碘包含127个核子，铯包含133个核子）,相干散射（蓝线） 的反应截面比其它方法要高出上百倍。这大大提高了中微子与物质的反应几率。 为了使这类型的作用更有可能发生，在橡树岭实验室中展开了一项名为“散裂中子源”（ Spallation Neutron Source）的实验。该实验在制造中子的同时，会产生大量中微子作为副产品，这些低能的中微子正是探测器力所能及的。其次，根据量子力学，中微子反应的几率正比于原子核内中子数量的平方，因此所需的原子核相对较大。他们的实验采用碘化铯晶体（该探测器被称为COHERENT，只有14.5公斤，可随手携带），碘和铯都比较重。由于这些元素的质量相似，在反应后它们辐射的光子的能量也相似，保证了单个探测器能够记录到所有的反应。 经过特殊的实验设计，以及对数据的长时间分析，科学家终于首次测量到中微子与原子核散射。
 （图片来源：JEAN LACHAT/UNIV. OF CHICAGO） 小型中微子探测器测量一种新的中微子反应。14.6公斤的探测器要比先前的实验设备小的多 此次发现不仅验证了43年前的理论预言，也使小型可携带的中微子探测器成为可能。这为探测中微子打开了新的实验机遇。麻省理工的物理学家丹尼尔·弗雷德曼（Daniel Freedman）在1974年预言了中微子会与原子核散射，如今终于得到验证，他表示：“这太令人兴奋了”。 At night, they enter at Nepal（晚上，他们进入尼泊尔） And pierce the lover and his la（刺穿爱人和他的啦） From underneath the bedyou call（从床底下呼唤） It wonderful; I call it crass.（好极了 我称之为粗俗。） CP破坏 在另一项实验中，科学家发现中微子的行为或许和它对应的反物质的行为不一。这个结果放大了科学家之前的猜疑：中微子或许是解开为什么我们的宇宙中的物质要远远多于反物质的关键。 回到138亿年前，宇宙诞生之初应该创造出相同数量的物质和反物质，何故这种平衡被打破了？很显然，今天的宇宙是由物质主导的。但如果物质和反物质的行为表现的不一致，或许就可以解释这其中的缘由。这个想法被称为CP对称性的破坏（其中C代表电荷共轭，P代表宇称）。 中微子共有三种，分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子。通过观测中微子是如何振荡的，就可以测量CP破坏。日本的T2K实验的研究人员发现μ中微子变为电子中微子要比预想中的更频繁，而μ反中微子成为电子反中微子则更加不频繁。这就意味着中微子破坏了CP对称性。
 （图片来源：KAMIOKA OBSERVATORY/ICRR/THE UNIVERSITY OF TOKYO） T2K实验找到了中微子和反中微子行为不一的线索。颜色的点点代表了传感器观测到中 微子反应中释放的闪光 在之前，T2K的科学家就发现了CP破坏的微弱迹象，而新的结果是基于相较于先前的两倍数据，但证据依旧不是确凿的。其结果只有两个标准差，而只有达到五个标准差才能算是发现。预计2026年对T2K测量的结果能达到三个标准差。正在建设的DUNE未来就有望达到五个标准差。 我们需要足够的耐心，我们试图回答的是非常意义深远的大问题。 注：文中穿插的英文诗为美国小说家John Updike于1960年所作。他对中微子是如此着迷，因此在中微子被发现后的几年为它写下了一首诗，标题为《Cosmic Gall》。 |
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