40年怪誕預(yù)言被驗(yàn)證：中微子50年后像激光一樣普及

物理學(xué)家預(yù)言了許多他們希望發(fā)生的現(xiàn)象，但在他們有生之年，這些現(xiàn)象可能都不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

例如，一名物理學(xué)家就認(rèn)為，在一定條件下，普遍存在但難以探測(cè)到的中微子(一種粒子)將能使整個(gè)原子核發(fā)生振蕩?？紤]到探測(cè)這種現(xiàn)象的難度，他本人認(rèn)為提出這樣的想法就夠蠢了。

但40年后，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室SNS實(shí)驗(yàn)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種探測(cè)“相干中微子-原子核碰撞”的全新方法。早在上世紀(jì)70年代，一名物理學(xué)家就預(yù)言了中微子相互作用的可能性，一些人認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)將為未來(lái)像科幻片一樣利用中微子奠定基礎(chǔ)，也有人則持更謹(jǐn)慎的態(tài)度。但有一點(diǎn)是確定無(wú)疑的：物理學(xué)家認(rèn)為這一結(jié)果令人激動(dòng)。

伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家胡安·埃斯特拉達(dá)(Juan Estrada)在郵件中表達(dá)了自己的激動(dòng)。埃斯特拉達(dá)也在從事這方面研究，但并未參與這次研究。

根據(jù)物理學(xué)定律，粒子間存在4種基本力：引力、電磁力、弱相互作用力、強(qiáng)相互作用力。中微子是一種特殊類型的粒子，只通過(guò)引力和弱相互作用力與其他粒子相互影響，在目前條件下，這兩種作用力的探測(cè)相當(dāng)困難。中子——原子核中的兩種粒子之一，會(huì)發(fā)生被稱作β衰變的弱相互作用，在衰變?yōu)橘|(zhì)子的同時(shí)釋放出一個(gè)中微子和一個(gè)電子。

目前，物理學(xué)通過(guò)與上述過(guò)程相逆的過(guò)程探測(cè)中微子。一個(gè)中微子轟擊一個(gè)質(zhì)子，就可能引起反β衰變，生成一個(gè)電子和一個(gè)中子，電子生成的閃光會(huì)被探測(cè)器探測(cè)到。但是，這類反β衰變本身很稀少，要捕捉到它要求使用大量液體。

麻省理工學(xué)院退休理論物理學(xué)教授丹尼爾·弗雷德曼(Daniel Freedman)，是在1974年預(yù)言另外一種不同中微子相互作用的物理學(xué)家之一。他認(rèn)為，除與質(zhì)子相互作用外，中微子還能與整個(gè)原子核相互作用。

這個(gè)過(guò)程的能量很低，因?yàn)橹形⒆又荒芡ㄟ^(guò)弱相互作用力產(chǎn)生微弱的碰撞，但這種相互作用要多得多，因?yàn)樵雍说某叽缫h(yuǎn)大于質(zhì)子。它將使利用尺寸小得多的探測(cè)器探測(cè)中微子成為可能，而且只需不到5萬(wàn)噸水。

科勒COHERENT探測(cè)器模型

但弗雷德曼指出，“我們的方案可能有些狂妄自大，因?yàn)椴豢杀苊獾南嗷プ饔寐?、分辨率和背景噪聲?huì)給中微子-原子核彈性散射實(shí)驗(yàn)帶來(lái)重大困難。”換句話說(shuō)，他認(rèn)為這種相互作用過(guò)于微弱和稀少，探測(cè)難度極大。

40年后，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)證明弗雷德曼是正確的。卡弗里理論物理研究所物理學(xué)家胡安·科勒(Juan Collar)表示，“確實(shí)，這并非是不可能的。”

這次研究取得成功要?dú)w功于特殊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和好運(yùn)氣。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行一個(gè)名為“散變中子原”(以下簡(jiǎn)稱“SNS”)的中子(不是中微子)實(shí)驗(yàn)。在產(chǎn)生中子的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還產(chǎn)生大量中微子。研究COHERENT的科學(xué)家就利用了這些中微子。

中子可能會(huì)影響信號(hào)，但研究團(tuán)隊(duì)在20英尺(6.1米)混凝土墻后的地下室中發(fā)現(xiàn)一個(gè)位置，能夠屏蔽除中微子之外SNS發(fā)射出的其他粒子。杜克大學(xué)物理學(xué)家、COHERENT合作研究團(tuán)隊(duì)發(fā)言人凱特·舒伯格(Kate Scholberg)表示，“能在SNS找到這樣一個(gè)位置，我們真的很幸運(yùn)。我擔(dān)心我們會(huì)被中子殺死，事實(shí)證明我們的擔(dān)心是多余的。”

科勒表示，COHERENT實(shí)驗(yàn)裝置從本質(zhì)上說(shuō)就是一塊晶體，當(dāng)中微子轟擊晶格時(shí)，通過(guò)弱相互作用發(fā)生的相互作用會(huì)引起原子核振蕩，發(fā)射出可探測(cè)到的微弱光點(diǎn)。中子束脈沖時(shí)斷時(shí)續(xù)，可探測(cè)信號(hào)也會(huì)隨之起伏?？评照f(shuō)，“我們知道中微子束何時(shí)出現(xiàn)，因?yàn)樗棵胫话l(fā)射60次。這對(duì)我們來(lái)說(shuō)太重要了。”

實(shí)驗(yàn)信號(hào)

舒伯格表示，除驗(yàn)證40年前的理論外，這次實(shí)驗(yàn)還為預(yù)言中微子活動(dòng)的猜想設(shè)定了約束條件。科勒認(rèn)為，這次研究最重要的應(yīng)用，是為未來(lái)更小的中微子實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，“也許未來(lái)50年后，中微子技術(shù)會(huì)普及，就像目前曾經(jīng)被認(rèn)為屬于絕對(duì)高科技的激光一樣。”

其他科學(xué)家也對(duì)此激動(dòng)不已——其他團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)室探測(cè)同樣的現(xiàn)象。夏威夷大學(xué)物理學(xué)家約翰·格雷戈里·勒尼德(John Gregory Learned)說(shuō)，“這次研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的過(guò)程——人人都認(rèn)為存在、但卻難以被發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)巨大的成功。”但他呼吁對(duì)這一研究的前景持謹(jǐn)慎態(tài)度，目前認(rèn)為其應(yīng)用相當(dāng)有限。

弗雷德曼也相當(dāng)激動(dòng)，“我當(dāng)然非常激動(dòng)，終于有人完成了我在1974年論文中提出的實(shí)驗(yàn)。”