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第5章 幽灵猎手中微子（第3页）

1953年早春，莱因斯和柯温的团队在车上装了容量可达300升的中微子探测器、几桶**闪烁液和几架电子设备，前往华盛顿州汉福德核工厂（HanfineeringWorks）生产钚的反应堆。他们选中的是美国最新、最大的那座反应堆，预计会产生最高的反中微子通量。如果能够用肉眼“看到”中微子，那么这座反应堆就会像第二个太阳一样光芒四射，熠熠生辉。

但在汉福德，猎幽项目被迫暂停了。研究小组要面对的绝不只是逆β衰变中产生的中子，很明显，有一些中子直接来自反应堆核心的裂变核。为了吸收并阻止这些中子到达探测器，研究小组用石蜡、硼砂和铅在实验区周围筑起了一堵厚厚的墙。这个办法奏效了，然而，在探测器中干扰中微子信号的不只是来自反应堆核心的中子，还有一些来自太空的东西。

宇宙射线是由爆炸的恒星以及其他剧烈的宇宙事件产生的高能原子核。在地球大气层的顶部，这些射线猛烈撞击原子核，产生次级粒子，这些粒子像绵绵细雨一样穿过大气层。这些粒子中，穿透能力最强的是μ（muon）子，那是一种重电子。宇宙射线μ子猛烈撞击莱因斯团队围绕实验区建造的屏蔽层中的原子核，产生了中子发射。不幸的是，这些中子比中微子产生的中子要多10倍。“这次实验的教训很明确：很容易屏蔽人为的噪声，但不可能屏蔽宇宙的噪声。”柯温说，“我们感觉已经揪住了中微子的尾巴，但证据还不够坚实。”

莱因斯和柯温很失望，但并没有放弃。他们二人知道，至少实验中使用的技术是有效的，只不过需要一个能更好地屏蔽来自宇宙射线干扰信号的核反应堆。最后他们找到了萨凡纳河核弹工厂的P反应堆，由于深埋在地下12米处，P反应堆完全避开了来自太空的威胁。1955年11月，猎幽项目搬到了南卡罗来纳州。

1956年6月14日，南卡罗来纳州萨凡纳河

莱因斯开车驶过一个写有“危险，不要靠近围栏，这里有高中微子通量”的玩笑标牌，把车停在了一辆卡车旁边。团队曾用这辆卡车运来了大量湿锯末。[89]控制室连同嗡嗡作响的发电机安置在一辆拖车里，相比之下，混凝土的反应堆简直是庞然大物。地上蜿蜒交错的电缆线将电信号从12米以下的闪烁体容器中传送上来，从电缆上面走过时，莱因斯不得不小心翼翼，以免被绊倒。控制室内，柯温面朝布满示波器、开关和发着光的真空管的墙坐着，监视着探测器的输出。

猎幽项目最终设计了一种双层三明治状的装置，加入氯化镉的2层水作为中微子的靶标，靶标与3层液态闪烁体交错排列。中微子与水箱中的质子相互作用时会产生1个正电子和1个中子，这个正电子与负电子湮灭生成的向相反方向传播的2束γ射线，在分别穿过水箱两侧的闪烁体容器时，首先几乎被同时探测到。接下来，会在5微秒后，探测到与正电子同时产生的中子释放出的另1束γ射线。

猎幽项目已经运行了1371小时。测量到的γ射线信号不仅比背景信号大4倍，反应堆启动时的信号也比关闭时的信号大5倍。每小时都能探测到3个中微子。

然而，反应堆中核裂变产生的中子穿透反应堆周围11米厚的混凝土屏蔽层，并在实验数据中制造出虚假γ射线的可能性依然存在。他们需要添加些屏蔽物，所以当莱因斯因为值了一整晚夜班而累得睡着时，团队的其他成员正把一袋袋的湿锯末堆在反应堆的墙上。实际上，他们首选的屏蔽物是南卡罗来纳的美食——黑眼豆（Cowpeas），但湿锯末更容易找到，而且价格更便宜，数量也足够多。[90]

如果检测到的一些γ射线来自反应堆产生的中子，多加的这层湿锯末对此应该会有屏蔽作用，使噪声信号减少到110。莱因斯问：“信号有变化吗？”柯温抬起头，咧嘴笑了笑，说：“没变化。”这正是莱因斯想听到的，这说明能穿透反应堆周围11米厚的混凝土屏蔽层的中子带来的干扰并不严重。

在拖车外，早些时候，团队的其他成员已完成了各部分的组装工作。理查德·琼斯（Ries）和福雷斯特·赖斯（ForrestRice）安装了探测器和铅屏蔽；大型**闪烁体是由专家F。B。哈里森（F。B。Harrison）负责的；奥斯汀·麦奎尔（AustinMcGuire）设计了包括闪烁体在内的水箱区；海罗德·克鲁斯（HeraldKruse）负责解释示波器的信号；还有“地鼠”马丁·沃伦（MartinWarren）。现在，团队成员们虽然看起来疲惫不堪，但个个兴高采烈、神采飞扬，他们互相击掌、拍背，庆祝克服了最后的障碍，完成了不可能完成的任务。付出了5年辛勤的汗水和努力，终于擒获了难以捉摸的中微子。[91]

剩下的两件事就是拍电报报喜和收拾好装备，驾车回洛斯阿拉莫斯了。

第二天，泡利在苏黎世联邦理工学院回了电报：“投递地址：新墨西哥州洛斯阿拉莫斯1663号信箱。弗雷德里克·莱因斯和克莱德·柯温：谢谢告知。耐心之树结黄金之果。泡利。”

凭借25年前对中微子的预测，泡利真正加入了魔术师的行列。毕竟，即使人们使出浑身解数去狂想，又有谁会想象出像中微子这样虚无缥缈、幽灵一般、彻头彻尾怪异的东西呢？泡利之所以做出这样的预测，唯一的原因是数学逻辑告诉他，中微子必须存在，没有它，放射性β衰变就没有意义。

收到电报一周后，泡利在日内瓦附近的欧洲核子研究组织（法语：seilEuropéennpourlaReucléaire；英语：EuranizationforNuclearResear）——欧洲最大型的粒子物理实验室——的一次研讨会上宣布了中微子的发现。莱因斯在1995年诺贝尔奖获奖感言中说，庆祝时泡利开了一箱香槟。[92]这确实是个不错的故事，因为泡利确实用一箱香槟打赌说，中微子永远不会被探测到。但遗憾的是，事实并非如此。[93]

莱因斯和柯温可就没那么幸运了。在南卡罗来纳州的阳光下，他们和团队成员站在P反应堆外庆祝成功时，只能用可口可乐代替香槟。[94]

以上只是中微子故事的开始。看看你的手，每秒钟有大约1000亿个中微子从你的拇指指甲穿过。8分半钟以前，这些中微子还在太阳的中心。太阳中微子是从使太阳发光的核反应中产生的。

值得注意的是，莱因斯、柯温的研究小组并不是唯一敢于挑战探测中微子这一难题的团队，甚至在萨凡纳河工厂都称不上唯一。1954年，由雷·戴维斯（RayDavis）领导的一个研究小组在工厂中一个核反应堆的地下室安装了一个探测器，装有3800升清洗液——四氯化碳。探测器的设计思路是由恩里科·费米的前同事、后来前往苏联的布鲁诺·庞泰科尔沃（BrunoPontecorvo）提出的。中微子偶尔会与清洗液中的氯原子核相互作用，将其变成氩原子核。氩是很容易分离的气体。收集到的氩原子核数量应与探测到的中微子数量相一致。

不幸的是，戴维斯碰到了莱因斯和柯温在汉福德核工厂遇到的类似问题，探测器没有很好地屏蔽宇宙射线的干扰，所以戴维斯输掉了中微子探测的竞赛。但他非常执着。20世纪60年代中期，在南达科塔州里德的荷马斯塔克金矿的地下矿井深1。5千米处，戴维斯安置了一个装有40万升清洗液的探测器，目的是探测来自太阳核心的中微子。令人难以置信的是，戴维斯成功了，从此，他成为看到恒星核心的第一人。

戴维斯面临的难题引发了一波验证他的异常结果的实验浪潮。事实上，一般认为此次事件开启了中微子天文学。几乎所有人都认为戴维斯出错了，然而与预期相反，新实验证实了来自太阳的中微子数量确实不足。[95]

太阳中微子之谜有一个颇为意外的答案，目前已经被加拿大安大略省萨德伯里中微子天文台（theSudburyriory）证实：实际上存在三种中微子。戴维斯探测到的是电子中微子（eleeutrino）；1962年，纽约布鲁克海文国家实验室（Brookhaven）发现了μ子中微子（muorino）；2000年，芝加哥附近的费米实验室（Fermilab）发现了τ子中微子（taurino）。没有人知道，为什么大自然选择将中微子和所有其他基本构造物夸克（quark）一分为三。但不容辩驳的是，萨德伯里天文台探测到了三种类型的粒子。根据其2006年的研究表明，只要把这三种类型的中微子的数量加在一起，中微子的数量就不会出现短缺。

早在1957年，庞泰科尔沃就提出，中微子可能以不同的类型出现，并且在中微子从太阳穿过太空到地球的途中，还会从一种类型转变成另一种类型。想象一下，一只狗在街上走了100米后变成了一只猫；这只猫走了100米后变成了一只兔子；然后这只兔子走了100米后又变回了狗。假设出于某种离奇的原因，你的眼睛只能看到狗，那么，也就是说，这段时间内发生的事情，你只能看到13。中微子也是如此。戴维斯的实验探测器只对电子中微子敏感，在荷马斯塔克金矿井中捕捉到的是以电子中微子类型出现的中微子，所以只能“看到”13的中微子。[96]

这种变化暗示中微子可能有质量，尽管许多人认为中微子的质量为零。根据爱因斯坦的狭义相对论，只有像光子那样的零质量粒子才能以宇宙终极速度光速运动。对于光子这样的粒子，相对论预测其时间会减慢到停滞状态。光子因此不能变化，因为根据定义，变化只能在时间中发生。然而，中微子确实发生了变化——在三种不同的味之间转换。这意味着中微子的速度一定比光速慢，因此其是有质量的。

电子是已知的最轻的亚原子粒子，而中微子似乎比电子要小至少10万倍，毫不奇怪，中微子的质量很难测量。这也表明，中微子获得质量的方式不同于所有其他基本粒子。其他基本粒子是通过与希格斯场（Higgsield）相互作用而获得质量的（见第8章）。希格斯场论是粒子物理标准模型（theStandardModel）的关键组成部分。该模型是对自然界中除引力外的三种基本力的量子描述。虽然标准模型可以成功解释实验结果，但它不能预测基本粒子的质量和基本力的相对强度，因此被认为是对一种更深入、更令人满意的理论的近似。物理学家们希望破解中微子是如何获得质量的难题，可以为这个难以捉摸的万有理论（theory）找到重要线索。

所以，即使中微子的质量非常微小，但其仍然是宇宙质量构成的重要部分。事实上，如果还存在尚未发现的大质量中微子，那么中微子可能是宇宙中神秘的暗物质的组成部分，已知暗物质的质量约是可见的恒星和星系的6倍。[98]

但这并不是中微子成为解释宇宙奥秘的关键唯一证据。实验表明，中微子和反中微子的产生和消亡速率不同，这暗示了物质和反物质之间存在着基本的不对称性。也许有一天，它可以解释宇宙中最大的谜团之一——为什么我们生活在一个几乎不含反物质的物质世界中？[99]

当莱因斯带领其团队在1956年探测到中微子时，他的工作还只是万里长征的第一步。1987年，有两个研究小组探测到来自另一颗恒星的19个中微子，莱因斯就是其中一个小组的成员。大麦哲伦星云（theLargeMagellanicCloud）是银河系的一个卫星星系，SN1987A标志着大麦哲伦星云（LargeMagellanicCloud）中一颗大质量恒星的爆炸。这是400年来在银河系中看到的第一颗超新星。

当一颗大质量恒星走到生命尽头时，会耗尽产生必要内热的燃料，导致无法对抗强大重力的挤压。随着核心灾难性地坍缩，温度上升到极高，在恒星的生命周期中好不容易积累起来的元素通过核反应，分裂成质子、中子和电子。电子被压缩进质子中，形成一个被称为中子核（roncore）的超高密度球。在这个过程中，会释放出大量的中微子。以SN1987A为例，它释放出了1058个（相当于100亿亿亿亿亿亿亿个）中微子。尽管一颗超新星可以发出与拥有1000亿颗恒星的整个星系一样亮的光，但事实上，仅有1%的能量是以光的形式发射出来的，高达99%的能量是由中微子带走的。

正是从恒星中涌出的中微子将核心的内爆转变为超新星爆炸，将恒星的外壳吹向太空，外壳中所含的元素丰富了星际气体云。这些气体注定会成为酝酿、诞生新一代恒星的温床。如果没有中微子，生命所必需的元素将永远禁锢在恒星内部。“大自然为什么需要中微子？它们有什么用？”英国物理学家弗兰克·克洛斯（FrankClose）问道。[100]由泡利提出的“不可能”被探测的粒子对宇宙的重要性超出了所有人的想象，真相惊人。事实上，如果没有中微子，人类根本不会诞生，也就不会读到现在这些文字了。

[2]现在知道，在β衰变过程中，原子核中的中子转变为质子。由于质子和中子都是由3个夸克组成的复合粒子，可以更具体地说，中子中的下夸克变成上夸克，中子变成了质子。

[3]这种表述并不严谨。守恒的是角动量（angularmomentum），自旋只是有着固定的角动量（内禀角动量）。

[4]宇宙射线是来自太空的高速原子核，大部分是质子。其中低能的射线来自太阳，高能的射线可能来自超新星。超高能宇宙射线粒子的能量比目前在地球上人工产生的粒子最高能量高出数百万倍，其起源是尚未解决的巨大天文学难题之一。

[5]在量子理论中，基本力是通过交换携带力的粒子（媒介子）实现的。因此，弱力是指携带力的粒子很少交换的力，而强力是指频繁交换媒介子的力。参与弱相互作用的中微子与其他粒子极少交换媒介子，这就是为什么中微子与其他物质相互作用如此微弱的原因。

[6]光年是指光在一年内在真空中传播的距离，1光年大约等于10万亿千米。