探测中微子的新方法

苗千

2017年8月3日，《科学》杂志刊登的一篇论文迅速引起了全世界的关注。

每一秒钟，我们每个人的身体都被数以百万亿计的粒子穿过，而我们并无知觉。这并非是什么神奇的事，因为穿过我们身体的中微子，是宇宙中数量第二多，又最为孤独，几乎不与其他任何粒子发生相互作用的基本粒子，它们穿越宇宙空间中的万物如同虚空。根据概率计算，几乎每一个星期，才会有一个中微子与人体的某个原子发生相互作用，这种效应微乎其微，自然也很难被人的神经系统所感知到。

正是因为中微子这样孤僻的个性，使研究中微子的物理学家们不得不大费周章。地球上的中微子探测装置大多都深埋地下，动辄利用数千吨纯水或是其他物质作为探测器，期待中微子能够与探测器内部的原子核发生碰撞，产生出微弱的闪光，再辅之以极其灵敏的感光设备，探测和记录每一个来之不易的中微子信号。这样的探测装备自然是要花费大量的人力和物力。

人類在1956年第一次通过弱相互作用探测到了中微子，一个中微子与质子交换了一个W玻色子，产生出一个中子和一个正电子。1973年，人们又观测到了中微子在能量较低的情况下与其他粒子交换Z玻色子。是否可能用一种比较简便的方法来探测中微子？在理论上是存在的。麻省理工学院的理论物理学家丹尼尔·弗里曼（Daniel Freedman）在1974年曾经提出过利用一种叫作“相干弹性中微子-原子核散射”（Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering）的效应进行中微子探测的方法。这种方法因为在当时看来太不切实际，以至于弗里曼当时在论文中也写道：“（想通过这种方式来探测中微子）可能只是白费力气，因为不可避免的作用比率、分辨率，以及背景干扰都会带来巨大的实验困难。”

他没想到的是，这种在当时仅存于理论中的想法居然在40多年之后成为现实。2017年8月3日，《科学》（Science）杂志刊登了一篇来自COHERENT合作项目共同提交的论文《对相干弹性中微子-原子核散射的观测》（Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering）迅速引起了全世界的关注，这可能意味着人类从此有了更加简便的探测中微子的方式，同时也可能开启多个领域的相关研究。

分别对应不同的基本粒子，中微子也分为三种，分别是电子中微子、muon中微子和tau中微子，它们与原子核的作用方式各不相同。常规的中微子探测装置都是尽量增加探测器里质子和中子的数量，以此增加与中微子发生碰撞的机会。但弗里曼认为，情况并非全都是如此，中微子并不一定总是单独与质子或中子发生碰撞。对于微观粒子来说，它们同时具有粒子和波的性质，对于某些能量较低的中微子，它们所对应的波长较长，如果其波长相当于整个原子核的长度，那么一旦发生相互作用，也就相当于中微子与整个原子核都发生了碰撞。

几十年来物理学家们都想要观测到这种低能量中微子与整个原子核的碰撞，但实际难度非常大。杜克大学的物理学家凯特·斯科尔伯格（Kate Scholberg）形容，这种情况就像是“用一个乒乓球去打一个保龄球”，虽然很容易打中，但保龄球的状态不会有太大改变的。与低能量的中微子相碰撞，原子核会产生一点颤动，但这样的颤动很难被探测到。

这样的探测最终成真。COHERENT合作项目利用掺杂了钠元素的碘化铯晶体制成一个非常特殊的中微子探测器，这个只有14.6公斤重的中微子探测器状如一个小号灭火器。在探测器内的原子核即使是发生了非常微小的颤动也会产生出一个闪光，进而被捕捉到。为了能够用这种新方法探测到低能量中微子的信号，COHERENT合作项目中来自18个研究机构的90名科学家不仅采用了极灵敏的探测材料，还把这个探测器用金属和水泥包裹住，放置在美国橡树岭国家实验室的地下室走廊里，这条走廊被称作“中微子走廊”。旁边就是一个散裂中子源，中微子正是它最大的副产品——这些中微子的能量正好适合用来进行探测，它们的能量足够低，可以与原子核发生相干散射;但能量又足够高，碰撞效果足以被探测到。经过461天的观测，物理学家们总共发现了134个中微子散射信号，符合事先的估算。

这样的便携式中微子探测器可能会有非常实际的用途，例如有人提议可以把它放置在核电站的附近检测核反应堆工作是否正常，是否发生了核泄漏。另外，科学家们也希望这样的探测装置可以为人们寻找大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particles）提供帮助。这种粒子虽然尚未被发现，但是人们猜测它可能是构成暗物质的主要成分，它与原子核的相互作用可能与中微子相似。

另一方面，这样的探测器还不能代替遍布世界的巨型中微子探测器，因为它只能探测到能量较低的中微子信号，却无法辨别与之发生碰撞的是哪一类中微子，这对于很多中微子研究项目来说往往至关重要。就在2017年7月21日，一群美国物理学家在南达科他州一个以前的金矿矿坑中开启了又一个大型粒子实验。这个实验被称为“长基线中微子设施”（Long-Baseline Neutrino Facility），人们将会在距此1300公里之外的费米国家加速器实验室向这里发射中微子束，当中微子到达这个位于地下1480米的中微子探测器时，它们有可能与其中数百万升的液态氩发生相互作用并被探测到。

之所以大费周章进行这样的探测，就是因为中微子不仅分为三个类型，同时它们在运行的过程中还会改换身份，在三种类型之间相互变换，这种现象被称作“中微子振荡”（Neutrino Oscillation）。想要弄清楚中微子振荡的机理，物理学家们不仅需要能够探测到中微子，还需要知道它的类型。从1300公里外发射来muon中微子束，被探测到之后却可能呈现出其他的中微子类型。只有通过这样高精度的实验，人们才能精确研究这种在宇宙中无处不在的粒子的真实性质，以及中微子和反中微子在宇宙发展过程中的角色。

（本文写作参考了《科学》杂志的报道）