科學(xué)家成功驗(yàn)證四十年前的中微子預(yù)言：開創(chuàng)全新未來

　　北京時間8月7日消息，據(jù)國外媒體報道，物理學(xué)家會對他們希望發(fā)生的事情大費(fèi)唇舌，但這些事也許終其一生都不會發(fā)生。例如，一名物理學(xué)家認(rèn)為在特定情況下，十分常見、但難以探測的中微子可以使整個原子核發(fā)生振蕩?？紤]到這一現(xiàn)象極難探測，他覺得光是提出這一想法就已經(jīng)夠傻了。

　　但四十年后，科學(xué)家宣布，他們真的發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。

　　具體來說，科學(xué)家找到了一種測量“相干中微子核碰撞”(coherent)的新方法。早在上世紀(jì)70年代，一名物理學(xué)家就預(yù)言了中微子發(fā)生互動的可能性。一些人認(rèn)為此次發(fā)現(xiàn)或許能幫助我們?nèi)缈苹闷话憷弥形⒆?。其他人則表現(xiàn)得更為審慎。但有一點(diǎn)是肯定的：物理學(xué)家認(rèn)為這是一次激動人心的發(fā)現(xiàn)。

　　“哇哦!!!!!!”伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家胡安·埃斯特拉達(dá)(JuanEstrada)在郵件中表達(dá)了他的激動之情。他也在尋找這一效應(yīng)，但并未參與此次研究。

　　根據(jù)物理法則，粒子有四種相互作用方式：引力、電磁力、強(qiáng)作用力和弱作用力。中微子是一種特殊的粒子，只能通過弱作用力和引力與其它粒子進(jìn)行互動，而這兩種力在地球上的實(shí)驗(yàn)室都很難進(jìn)行探測。中子是原子核含有的兩種粒子之一。中子的β衰變便是弱作用力的一種，在衰變?yōu)橘|(zhì)子的同時釋放出一個中微子和一個電子。

　　如今，科學(xué)家測量中微子的方法相當(dāng)于“順藤摸瓜”。如果一個中微子擊中了質(zhì)子，也許就會使β衰變反向進(jìn)行，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個電子和一個中子。電子會發(fā)出閃光，從而被探測器捕獲。但這種相互作用十分罕見，且需要耗費(fèi)大量液體。

　　麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)榮譽(yù)退休教授丹尼爾·弗里德曼(DanielFreedman)是1974年預(yù)言中微子除了與質(zhì)子互動外、還能發(fā)生另一種相互作用的科學(xué)家之一。他認(rèn)為中微子可以與整個原子核產(chǎn)生相互作用。這個過程涉及的能量很少，因?yàn)橹形⒆觾H能產(chǎn)生極弱的推力。但由于原子核比質(zhì)子大得多，這將遠(yuǎn)比與質(zhì)子相撞常見。這樣一來，便可以采用規(guī)模較小的探測器，只需不到50千噸水就能得到預(yù)期效果。

　　但弗里德曼指出：“我們的假設(shè)也許有些傲慢自大，因?yàn)橹形⒆?原子核彈性散射實(shí)驗(yàn)中難免受到相互作用率、分辨率和研究背景的局限。”換句話說，他認(rèn)為這種相互作用仍然太過微弱和罕見，因而難以探測。

　　四十年后，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的一組物理學(xué)家證明，弗里德曼的預(yù)言其實(shí)是正確的。“這并非不可能。”卡瓦里太空物理研究所的物理學(xué)家胡安·科勒(JuanCollar)指出。

　　他們能取得預(yù)期觀測結(jié)果，要?dú)w功于特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和好運(yùn)氣。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開展了一項名為“散變中子源”(簡稱SNS)的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在制造中子束的同時，還產(chǎn)生了大量中微子作為副產(chǎn)品。研究相干中微子核碰撞的科學(xué)家們正好利用了這一點(diǎn)。中子云可能會干擾信號，但該研究團(tuán)隊在20英尺(約合6米)的混凝土墻后的地下室中找到了一處合適的位置，足以擋住除中微子之外、SNS實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的任何粒子。“我們能找到這里真的非常幸運(yùn)。”杜克大學(xué)物理學(xué)家、相干中微子核碰撞合作研究團(tuán)隊發(fā)言人凱特·舒伯格(KateScholberg)表示，“我本來擔(dān)心會受到中子的影響，結(jié)果并不是這樣。”

　　當(dāng)中子束開啟時，可以看出清晰的探測器信號(以黑點(diǎn)表示)，說明該團(tuán)隊確實(shí)捕捉到了中微子與原子核的相互作用。

　　相干中微子核碰撞實(shí)驗(yàn)裝置本質(zhì)上是一塊晶體，當(dāng)中微子擊中晶格時，通過弱作用力產(chǎn)生的相互作用使原子核發(fā)生振蕩，釋放出可以被探測到的微弱光線。中子束脈沖時強(qiáng)時弱，因此探測信號也隨之上下起伏。“我們知道中微子何時會被發(fā)射過來，因?yàn)橹凶邮『妹棵腌娭婚_啟60次。”科勒解釋道，“這對于我們非常重要。”

　　舒伯格指出，該實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了40年前的預(yù)言，還為一些針對中微子行為的猜想給出了約束。科勒認(rèn)為該研究最重要的影響在于，它為小型中微子實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)了全新的未來。“也許50年后，我們真的發(fā)明了可行的中微子技術(shù)。”且這些技術(shù)可供公眾使用，就像曾經(jīng)顯得高大上、如今已飛入尋常百姓家的激光發(fā)射器一樣。

　　其他專家也激動不已。有些團(tuán)隊已經(jīng)開始在自己的實(shí)驗(yàn)室中尋找同樣的信號。“能發(fā)現(xiàn)這樣一個所有人都相信存在、只是難以識別的現(xiàn)象，可謂一次巨大的成功。”夏威夷大學(xué)的物理學(xué)家約翰·格里高利·倫德(JohnGregoryLearned)指出。他尤其欣賞科勒所做的貢獻(xiàn)。但他也呼吁人們對該技術(shù)的前景持更謹(jǐn)慎的態(tài)度，就目前而言，他認(rèn)為該技術(shù)的應(yīng)用途徑相當(dāng)有限。

　　弗里德曼也十分高興。

　　“終于有人做了我在1974年提出的實(shí)驗(yàn)，”弗里德曼表示，“我當(dāng)然激動得要命。”