Z=左文文

C=陳學(xué)雷

Z：中微子是什么?

C：中微子是一種不帶電、只參與弱相互作用的粒子。人類已知的相互作用有四種，就是萬(wàn)有引力、電磁相互作用，強(qiáng)相互作用和弱相互作用。其中，后兩種是在核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)反應(yīng)的強(qiáng)弱命名的。

19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了放射性：原子核會(huì)發(fā)生衰變。這其中有一種衰變，叫beta衰變，會(huì)發(fā)射出beta射線，也就是電子。但是，人們經(jīng)過(guò)仔細(xì)測(cè)量后發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，就是同一種核產(chǎn)生的beta衰變電子能量不是一個(gè)固定值。問(wèn)題就在這里： beta衰變后的原子核幾乎是固定不動(dòng)的，它的能量可以用質(zhì)能公式E=mc2算出來(lái)，如果電子能量是可變的，那么衰變后的總能量就不守恒了。

為了解釋這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)有兩種猜想：玻爾猜想也許在 beta衰變中能量不守恒，泡利則猜想也許在beta衰變中除了電子外還產(chǎn)生了另一種沒(méi)有被觀測(cè)到的粒子。為什么它沒(méi)有被觀測(cè)到呢?如果這種粒子不帶電，質(zhì)量又很小，就可以不被觀測(cè)到。泡利把這種粒子稱為“中子”(neutron)，也就是中性(不帶電荷)粒子的意思。不過(guò)因?yàn)檫@個(gè)名字與我們熟知的中子相沖突，所以后來(lái)費(fèi)米把它改名為中微子(neutrino)。

由于中微子不參與強(qiáng)相互作用和電磁相互作用，因此它很難探測(cè)。1942年，我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌先生提出了用beta俘獲探測(cè)中微子，但直到1956年，Clyde L. Cowan 和 Frederick Reines 才用核反應(yīng)堆作為中微子源探測(cè)到了中微子, 他們因這一工作于1995年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1962年，Leon M. Lederman, Melvin Schwartz 和 Jack Steinberger 用實(shí)驗(yàn)證明存在不同“味道”的中微子，也就是每一種帶電的輕子有一種與之對(duì)應(yīng)的中微子，與電子對(duì)應(yīng)的叫電子中微子，與mu子對(duì)應(yīng)的叫mu子中微子，還有后來(lái)發(fā)現(xiàn)的tau子應(yīng)該也有對(duì)應(yīng)tau子中微子。他們?nèi)擞?988年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

Z：中微子振蕩是什么?是理論上先提出來(lái)的嗎?

C：中微子振蕩是中微子由一種“味道”變成另一種“味道”，比如由電子中微子變成mu子中微子，但這種變化不是永久的，過(guò)一段時(shí)間后又變回來(lái)，好像鐘擺會(huì)擺來(lái)擺去一樣，所以叫振蕩。中微子振蕩是意大利物理學(xué)家Bruno Pontecorvo(1913-1993) 于1957年提出的。Pontecorvo曾經(jīng)是費(fèi)米的助手，法西斯上臺(tái)后去了北美，后來(lái)參與了英國(guó)的原子彈計(jì)劃。Pontecorvo是位共產(chǎn)黨員，也有傳言說(shuō)是蘇聯(lián)間諜。1950年他舉家逃到了蘇聯(lián)。之后一直在蘇聯(lián)做研究, 中微子振蕩就是他從理論上提出的。

Z：諾獎(jiǎng)的認(rèn)可也說(shuō)明了中微子研究領(lǐng)域的重要性，中微子研究為什么如此重要呢?

答：中微子研究體現(xiàn)了人類探索大自然奧秘的卓越成就。通過(guò)理論分析，泡利、Pontecorvo等人提出了中微子和中微子振蕩的概念，Bahcall 等人給出了定量化的理論預(yù)言，而這樣一種飄渺難尋的粒子，經(jīng)過(guò)幾十年不懈的努力，人們不僅測(cè)到了它，而且最終弄清了它的性質(zhì)，這是非常了不起的成就。中微子是一種只參與弱相互作用的粒子，對(duì)它的研究，也可以為我們研究大統(tǒng)一理論、質(zhì)量的起源、對(duì)稱破缺、超新星、暗物質(zhì)等提供很多線索。因此，今后這仍將是一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。

C：該領(lǐng)域的研究成果對(duì)于探索暗物質(zhì)有什么樣的啟示?

答：一般所說(shuō)的中微子是指我們上面所提到的標(biāo)準(zhǔn)模型中微子，這種中微子本身就曾經(jīng)是暗物質(zhì)的候選者，不過(guò)它們的質(zhì)量比較小，屬于所謂“熱暗物質(zhì)”。上世紀(jì)80年代，隨著天文觀測(cè)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)熱暗物質(zhì)模型預(yù)言的星系形成過(guò)程與觀測(cè)不符合，而“冷暗物質(zhì)”模型符合得較好，因此現(xiàn)在人們認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型中微子并非暗物質(zhì)主要成分。

不過(guò)，在現(xiàn)在的暗物質(zhì)理論中，有一種猜測(cè)是除了標(biāo)準(zhǔn)模型中微子外，還存在所謂“惰性中微子”，也就是連弱相互作用也不參與但是可以與標(biāo)準(zhǔn)模型中微子相互振蕩轉(zhuǎn)化的中微子，它可以作為暗物質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)中微子的研究，也可以幫助我們進(jìn)一步研究和限制這種暗物質(zhì)模型。

另外，有的暗物質(zhì)模型中，比如超對(duì)稱暗物質(zhì)模型中，太陽(yáng)和地球中心都會(huì)沉積暗物質(zhì)粒子，這些粒子相互湮滅可以產(chǎn)生一些能量較高的中微子，穿出太陽(yáng)和地球而被探測(cè)到，因此這也是一種暗物質(zhì)間接探測(cè)的手段。南極的冰立方探測(cè)器就在進(jìn)行這種探測(cè)，不過(guò)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這樣的中微子。

另外，我覺(jué)得中微子研究的歷程也給我們一種啟示和信心。暗物質(zhì)還沒(méi)有被探測(cè)到，但是，假設(shè)暗物質(zhì)存在和推測(cè)暗物質(zhì)性質(zhì)的理論研究方法、甚至探測(cè)暗物質(zhì)的一些實(shí)驗(yàn)手段，都和中微子研究非常相似。因此，要對(duì)科學(xué)有信心，只要堅(jiān)持下去，不斷探索，暗物質(zhì)的研究也一定會(huì)取得成功。

Z：中微子宇宙學(xué)還有什么樣的挑戰(zhàn)?宇宙學(xué)對(duì)中微子的限制有哪些呢?

C：中微子和宇宙學(xué)有比較密切的聯(lián)系。比如，前面我們提到中微子有三種味，每種味道的中微子在宇宙早期的高溫中都會(huì)產(chǎn)生。如果中微子有不止三種味，那么在宇宙大爆炸的核合成時(shí)期，就會(huì)有更多相對(duì)論性粒子，那么它就會(huì)影響核合成持續(xù)的時(shí)間，而這又會(huì)影響合成的氦核的數(shù)量。因此，根據(jù)宇宙中氦元素的豐度，人們很早就推測(cè)輕中微子只有三種味。另外，中微子的味也影響宇宙微波背景輻射各向異性，也可以用這種觀測(cè)進(jìn)行限制。

目前人們對(duì)中微子宇宙學(xué)的最大興趣是測(cè)量中微子的質(zhì)量。粒子物理實(shí)驗(yàn)雖然可以探測(cè)到比較高能量的中微子，但這些中微子的能量比它們的靜止質(zhì)量大很多，因此無(wú)法精確測(cè)量中微子質(zhì)量;低能量的中微子則很難測(cè)量--當(dāng)然現(xiàn)在也有人在嘗試。宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)提供了測(cè)量中微子質(zhì)量的方法：在宇宙早期中微子可以很快擴(kuò)散，從而在小尺度上抹平原初的密度不均勻性，但不影響大尺度。因此，通過(guò)大規(guī)模的星系巡天，精密測(cè)量宇宙不同尺度上密度漲落的幅度大小(這叫做密度功率譜)，可以定出中微子的質(zhì)量。目前綜合星系巡天和宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)給出的結(jié)果是，三種中微子質(zhì)量的和為0.3eV左右。

不過(guò)，這種測(cè)量的方法也有一定的局限性：因?yàn)槲覀儾](méi)有辦法直接測(cè)到宇宙中物質(zhì)的密度，而只能用星系數(shù)密度代替，并假定星系數(shù)密度正比于物質(zhì)密度。如果這種正比關(guān)系不是嚴(yán)格成立，而是在不同尺度上比例系數(shù)有變化，那么我們的測(cè)量結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，而從這種測(cè)量本身是沒(méi)有辦法發(fā)現(xiàn)這種系統(tǒng)誤差的。所以，中微子的質(zhì)量到底是多少，現(xiàn)在還沒(méi)有明確的答案。去年，我們小組和加拿大多倫多大學(xué)的彭威禮教授小組合作，提出了另一種用星系巡天方法測(cè)量中微子質(zhì)量的辦法，通過(guò)測(cè)量不同類型星系的互相關(guān)功率譜偶極矩，可以避免這個(gè)系統(tǒng)誤差。今年我們又繼續(xù)提出了另一種用弱引力透鏡進(jìn)行中微子質(zhì)量測(cè)量的方法。北京師范大學(xué)張同杰教授的研究小組則用天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了一次3萬(wàn)億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，這是現(xiàn)在世界上含粒子數(shù)最多的宇宙學(xué)數(shù)值模擬。通過(guò)分析、研究這一模擬的數(shù)據(jù)，可以給出用我們的方法實(shí)際進(jìn)行中微子質(zhì)量測(cè)量的方案?？傊?，我認(rèn)為中微子宇宙學(xué)仍有許多重要的課題有待研究。