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、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現，到石油、鋼鐵、塑料等各種先進工業和現代化學，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定原子核會發生大量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年前后發現的中微子振蕩是一種很奇特的現象，人們發現中微子會“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，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。