中微子顛覆物理學(xué)？宇宙中飛行速度幾乎達(dá)到光速

據(jù)國外媒體報(bào)道，中微子是一類神秘的亞原子粒子，產(chǎn)生于多種核過程中。它們的名字“neutrino”來源于意大利語，字面意義是“微小的電中性粒子”，即它們不攜帶電荷。在宇宙的四種基本相互作用中，中微子只參與引力相互作用和弱相互作用（會(huì)引起次原子粒子的放射性衰變）。中微子幾乎沒有質(zhì)量，它們在宇宙中飛行的速度幾乎達(dá)到了光速。

在大爆炸之后的極短時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了無數(shù)的中微子。而且，新的中微子也一直在產(chǎn)生：在恒星內(nèi)部的核反應(yīng)中產(chǎn)生；在地球上的粒子加速器和原子反應(yīng)堆中產(chǎn)生；在超新星爆發(fā)并塌縮的過程中產(chǎn)生，以及在放射性元素衰變中產(chǎn)生。根據(jù)耶魯大學(xué)物理學(xué)家卡斯滕·西格（Karsten Heeger）的說法，這意味著宇宙中的中微子數(shù)量平均比質(zhì)子多10億倍。

盡管中微子無處不在，但它們對于物理學(xué)家來說仍然是一個(gè)謎，因?yàn)檫@些粒子非常難以捕獲。中微子流能輕易地穿過大多數(shù)物質(zhì)，就好像光線穿過透明的玻璃一樣，因?yàn)樗鼈儙缀醪慌c一般物質(zhì)發(fā)生相互作用。據(jù)估計(jì)，此刻你身體上每平方厘米大約正有1000億個(gè)中微子穿過，但你對此沒有任何感覺。

發(fā)現(xiàn)隱形的粒子

中微子最初被認(rèn)為是一個(gè)科學(xué)謎題的答案。在19世紀(jì)后期，研究人員對一種名為β衰變的現(xiàn)象困惑不已。在β衰變中，原子內(nèi)部的原子核會(huì)自發(fā)地放射出電子。β衰變似乎違反了兩個(gè)基礎(chǔ)的物理學(xué)定律：能量守恒和動(dòng)量守恒。在β衰變中，粒子的最終形態(tài)具有的能量似乎有點(diǎn)太少了，并且質(zhì)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，而不是向電子的相反方向運(yùn)動(dòng)。直到1930年，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)U利（Wolfgang Pauli）才提出，β衰變過程中有一種未知的電中性粒子會(huì)伴隨電子產(chǎn)生，該粒子攜帶著缺失的能量和動(dòng)能。

“我做了一件可怕的事情。我假設(shè)了一種無法被探測到的粒子，”鮑利對一位朋友如此說道。之所以這么說，是因?yàn)檫@種粒子就像幽靈一樣，幾乎不能與任何東西相互作用，而且?guī)缀鯖]有質(zhì)量。

1956年，物理學(xué)家克萊德·科溫（Clyde Cowan）和弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）等人在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們對中微子的觀測結(jié)果。他們建造了一個(gè)中微子探測器，并將其放置在南卡羅來納州的薩凡納河核電站的核反應(yīng)堆外。他們的實(shí)驗(yàn)成功從反應(yīng)堆中飛出的數(shù)百萬億中微子中捕獲了一小部分。科溫和萊因斯自豪地給鮑利發(fā)了一份電報(bào)，告訴他這一確認(rèn)中微子存在的消息。在這一結(jié)果發(fā)表近40年后，萊因斯才因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)中微子而獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)家—;—;當(dāng)時(shí)科溫已經(jīng)去世。不過，自此之后，中微子就開始一次次讓科學(xué)家的期望落空。

太陽內(nèi)部時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生著核反應(yīng)，產(chǎn)生的大量中微子不斷地穿過地球。20世紀(jì)中期，研究人員建造了搜尋這些中微子的探測器，但他們的實(shí)驗(yàn)一直顯示出數(shù)量上的差異，即僅僅檢測到預(yù)測中三分之一的中微子?？赡苁翘煳膶W(xué)家關(guān)于太陽的模型出現(xiàn)了問題，也可能是發(fā)生了某些奇怪的事情。

物理學(xué)家最終意識(shí)到中微子可能具有三種不同的“味”，或者說三種類型。常規(guī)的中微子被稱為電中微子，另外兩種則是μ中微子和τ中微子。當(dāng)中微子穿過太陽和地球之間的距離時(shí)，它們會(huì)在這三種味之間振蕩。早期的實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上只是為了尋找一種味，因此所探測到的數(shù)量上總是會(huì)少三分之二。

然而，只有具有質(zhì)量的粒子才能經(jīng)歷這種振蕩，這與之前認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量的觀點(diǎn)相矛盾。盡管科學(xué)家仍然不知道這三種中微子的確切質(zhì)量，但已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其中最重的中微子至少要比電子質(zhì)量輕0.0000059倍。

中微子的新規(guī)則？

2011年，意大利OPERA實(shí)驗(yàn)—;—;全稱為“采用乳膠徑跡裝置的（中微子）振蕩項(xiàng)目”（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus）—;—;的研究人員宣布，他們檢測到了飛行速度超過光速的中微子。這個(gè)被認(rèn)為不可能的消息立刻引起了全世界的轟動(dòng)。盡管在媒體上廣泛報(bào)道，但該研究結(jié)果受到了科學(xué)界的極大質(zhì)疑。不到一年之后，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這一異常結(jié)果可能是由安裝在測量中微子離開和返回時(shí)間的原子鐘上的一個(gè)光纖發(fā)生松動(dòng)所致。中微子又回到了遵守宇宙法則的粒子行列之中。

但是，中微子仍然有太多需要了解的地方。最近，費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）的MiniBooNE實(shí)驗(yàn)研究人員提供了令人信服的證據(jù)，指出他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子，稱為惰性中微子（sterile neutrino）。這一發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了此前在美國洛斯阿拉莫斯的“液閃爍器中微子探測器”（Liquid Scintillator Neutrino Detector，簡稱LSND）實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的異常現(xiàn)象。惰性中微子或許將顛覆所有已知的物理學(xué)，因?yàn)樗鼈儾贿m用于所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型—;—;該框架解釋了除引力意外幾乎所有已知的粒子和力。

如果MiniBooNE實(shí)驗(yàn)的結(jié)果最終被證實(shí)，“那將是絕對的大新聞；這超出了標(biāo)準(zhǔn)模型，需要全新的粒子……以及一個(gè)全新的分析框架，”美國杜克大學(xué)的粒子物理學(xué)家凱特·斯科爾伯格（Kate Scholberg）說道。