基本粒子

在人類兩千多年的科學史中，對基本粒子的想象和研究一直推動著人類文明的進步。

看到水的蒸發(fā)、木頭的損耗、空氣的流動這些自然現象，古希臘哲學家德謨克利特（Democritus, 460 – 370 BC）想象萬物皆由原子組成。兩千多年后，這一思想種子終于在19世紀得到了大量科學驗證，從19世紀初道爾頓（John Dalton, 1766 - 1844）發(fā)現原子可以完美地解釋化學反應中物質量的整數比例，到20世紀初愛因斯坦（Albert Einstein, 1879 - 1955）將花粉在水中的布朗運動解釋為水原子（分子）對花粉的碰撞，經過一百多年的激烈爭論，原子學說終于被大部分科學家接受。從元素周期表中各種元素的發(fā)現，到石油、鋼鐵、塑料等各種先進工業(yè)和現代化學，無不建立在原子學說之上。

20世紀，人們對于基本粒子的認識終于突破了原子的尺度，發(fā)現原子是由原子核和電子組成的。對電子在原子內部運動的研究催生了量子力學，成為半導體、激光、超導等現代技術的基礎。對原子核的研究則開啟了人類的能源革命，核能的效率比幾十萬年來人類使用的化學能源高百萬倍以上。

圖1. 計算機芯片，是人類對原子科學研究之花長出來的果實。圖片來自維基百科。

現在，在基本粒子的研究領域，我們可能正面臨著一個嶄新的時代，其中的主角之一，就是被稱為幽靈粒子的中微子。

中微子——神秘世界的門

上世紀30年代，人們似乎得到了一個對基本粒子的“完美”的認識：質子和中子組成原子核，由原子核和電子組成的原子則構成了整個宇宙。然而，很快，人們就發(fā)現宇宙比我們想象的更加神秘，這個神秘新大陸的信使之一是一個如幽靈般的粒子。

自然界有三種衰變，分別稱為α、β、γ衰變。其中α和γ是兩體衰變，能量都是單一的。讓人們驚奇的是，β衰變和它們不同，能量居然是連續(xù)的，這說明β衰變絕對不是兩體衰變，至少是三體衰變。然而，β衰變的產物只有原子核和電子被探測到，為什么第三個粒子不見了呢？

為了解釋這個疑難，奧地利物理學家泡利（Wolfgang Ernst Pauli, 1900 - 1958）假設了一個新粒子的存在：這個粒子沒有電荷且質量很輕（因此叫中微子），與其它粒子的反應非常弱，它在β衰變中產生之后就逃離了現場，沒有被儀器探測到。一個中微子可以輕易地穿過整個地球而不與物質反應，因此難以證明它是否存在，泡利后來甚至責怪自己設想了一個無法被驗證的粒子。

捕捉這個“幽靈”的英雄最終還是出現了。雖然一個中微子和一個原子反應的概率極低，但是如果有大量的中微子穿過大量的原子，還是會有一定數量的反應，從而可以被實驗檢測。核電站就是一個可以產生大量中微子的源，因為核燃料裂變形成的不穩(wěn)定原子核會發(fā)生大量β衰變。

美國物理學家萊茵斯（Frederick Reines, 1918 - 1998）和考恩（Clyde Cowan,1919 - 1974）在1956年完成的實驗是人類歷史上第一次探測到中微子，他們將兩個水箱放在核電站附近，水中的質子能與中微子反應，產生一個正電子和一個中子，這個正電子很快會同一個電子湮滅從而放出兩個γ射線，過了一段時間之后這個中子會被溶在水中的鎘吸收進而再放出γ射線，這一前一后兩次γ射線的信號就成為了中微子的“身份證”。

經過幾個月的數據收集，他們終于得到足夠數量的證據，在1956年6月14日，他們給泡利發(fā)了一封電報：“我們很高興地通知您，我們確定無疑地探測到了中微子。”泡利無疑很高興，經過二十多年的等待之后，終于看到當年那個大膽的假設得到驗證。

我國的中微子研究

在2000年前后發(fā)現的中微子振蕩是一種很奇特的現象，人們發(fā)現中微子會“變身”！就像一只蘋果在你面前變成一個榴蓮，這個榴蓮過一會又變成了山竹，山竹過一會又變回蘋果。這種奇怪的行為是量子力學在宏觀世界上的表現，但要求中微子質量不為零！這與之前的粒子物理標準模型理論不符。基本粒子研究這條航船似乎來到了一個神秘而全新的大陸。

在中微子振蕩的研究方面，中國也開展了很多的工作。中國大亞灣中微子實驗利用液閃探測器觀測大亞灣核電站發(fā)出的中微子，世界上首次精確測量出中微子振蕩的第三個混合角θ13，打開了研究中微子CP不守恒的可能性，對未來20年的中微子乃至整個粒子物理的研究產生了重要影響。此成果獲得了國家自然科學一等獎和美國基礎物理學突破獎。

未來的二三十年中微子研究將會是激動人心的，中微子的質量順序是什么？中微子的CP破壞相位是多少？中微子將會帶給我們關于天文和宇宙的什么信息？這每一個問題都可能讓我們更加了解這個宇宙，對當代物理學有重大的意義。我國的中微子研究同樣不會缺席，目前正在建設并預計于2021年開始的江門中微子實驗是全世界最大的液閃探測器，將要測量中微子質量順序，也有可能在太陽中微子、地球中微子、中微子天文學等多個領域帶來重大的發(fā)現。

從更廣闊的視角來看，現代物理學面臨著許多重大的挑戰(zhàn)，包括：（1）為什么正物質比反物質多？（2）曾經我們以為原子構成了全部的世界，然而現在發(fā)現原子只占5%，整個宇宙的95%是暗物質和暗能量，它們會是什么？（3）早期的宇宙是什么樣的？這些問題都與中微子有著或明或暗的關系。這些重大的問題或許是一扇門，引導基本粒子和宇宙學研究進入更深的層次。