颠覆物理学的中微子：宇宙中飞行速度几乎达到光速

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中微子几乎没有质量，它们在宇宙中飞行的速度几乎达到了光速。

       北京时间3月6日消息，据国外媒体报道，中微子是一类神秘的亚原子粒子，产生于多种核过程中。它们的名字“neutrino”来源于意大利语，字面意义是“微小的电中性粒子”，即它们不携带电荷。在宇宙的四种基本相互作用中，中微子只参与引力相互作用和弱相互作用（会引起次原子粒子的放射性衰变）。中微子几乎没有质量，它们在宇宙中飞行的速度几乎达到了光速。

　　在大爆炸之后的极短时间内就产生了无数的中微子。而且，新的中微子也一直在产生：在恒星内部的核反应中产生；在地球上的粒子加速器和原子反应堆中产生；在超新星爆发并塌缩的过程中产生，以及在放射性元素衰变中产生。根据耶鲁大学物理学家卡斯滕·西格（Karsten Heeger）的说法，这意味着宇宙中的中微子数量平均比质子多10亿倍。

　　尽管中微子无处不在，但它们对于物理学家来说仍然是一个谜，因为这些粒子非常难以捕获。中微子流能轻易地穿过大多数物质，就好像光线穿过透明的玻璃一样，因为它们几乎不与一般物质发生相互作用。据估计，此刻你身体上每平方厘米大约正有1000亿个中微子穿过，但你对此没有任何感觉。

　　发现隐形的粒子

　　中微子最初被认为是一个科学谜题的答案。在19世纪后期，研究人员对一种名为β衰变的现象困惑不已。在β衰变中，原子内部的原子核会自发地放射出电子。β衰变似乎违反了两个基础的物理学定律：能量守恒和动量守恒。在β衰变中，粒子的最终形态具有的能量似乎有点太少了，并且质子处于静止状态，而不是向电子的相反方向运动。直到1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·鲍利（Wolfgang Pauli）才提出，β衰变过程中有一种未知的电中性粒子会伴随电子产生，该粒子携带着缺失的能量和动能。

　　“我做了一件可怕的事情。我假设了一种无法被探测到的粒子，”鲍利对一位朋友如此说道。之所以这么说，是因为这种粒子就像幽灵一样，几乎不能与任何东西相互作用，而且几乎没有质量。

　　1956年，物理学家克莱德·科温（Clyde Cowan）和弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）等人在《科学》杂志上发表了他们对中微子的观测结果。他们建造了一个中微子探测器，并将其放置在南卡罗来纳州的萨凡纳河核电站的核反应堆外。他们的实验成功从反应堆中飞出的数百万亿中微子中捕获了一小部分。科温和莱因斯自豪地给鲍利发了一份电报，告诉他这一确认中微子存在的消息。在这一结果发表近40年后，莱因斯才因为发现中微子而获得了1995年的诺贝尔物理学家——当时科温已经去世。

　　不过，自此之后，中微子就开始一次次让科学家的期望落空。

　　太阳内部时时刻刻都在发生着核反应，产生的大量中微子不断地穿过地球。20世纪中期，研究人员建造了搜寻这些中微子的探测器，但他们的实验一直显示出数量上的差异，即仅仅检测到预测中三分之一的中微子。可能是天文学家关于太阳的模型出现了问题，也可能是发生了某些奇怪的事情。

　　物理学家最终意识到中微子可能具有三种不同的“味”，或者说三种类型。常规的中微子被称为电中微子，另外两种则是μ中微子和τ中微子。当中微子穿过太阳和地球之间的距离时，它们会在这三种味之间振荡。早期的实验在设计上只是为了寻找一种味，因此所探测到的数量上总是会少三分之二。

　　然而，只有具有质量的粒子才能经历这种振荡，这与之前认为中微子没有质量的观点相矛盾。尽管科学家仍然不知道这三种中微子的确切质量，但已经有实验证实，其中最重的中微子至少要比电子质量轻0.0000059倍。

　　中微子的新规则？

　　2011年，意大利OPERA实验——全称为“采用乳胶径迹装置的（中微子）振荡项目”（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus）——的研究人员宣布，他们检测到了飞行速度超过光速的中微子。这个被认为不可能的消息立刻引起了全世界的轰动。尽管在媒体上广泛报道，但该研究结果受到了科学界的极大质疑。不到一年之后，物理学家发现，这一异常结果可能是由安装在测量中微子离开和返回时间的原子钟上的一个光纤发生松动所致。中微子又回到了遵守宇宙法则的粒子行列之中。

　　但是，中微子仍然有太多需要了解的地方。最近，费米国家加速器实验室（费米实验室）的MiniBooNE实验研究人员提供了令人信服的证据，指出他们已经发现了一种新的中微子，称为惰性中微子（sterile neutrino）。这一发现也证实了此前在美国洛斯阿拉莫斯的“液闪烁器中微子探测器”（Liquid Scintillator Neutrino Detector，简称LSND）实验中发现的异常现象。惰性中微子或许将颠覆所有已知的物理学，因为它们不适用于所谓的标准模型——该框架解释了除引力意外几乎所有已知的粒子和力。

　　如果MiniBooNE实验的结果最终被证实，“那将是绝对的大新闻；这超出了标准模型，需要全新的粒子……以及一个全新的分析框架，”美国杜克大学的粒子物理学家凯特·斯科尔伯格（Kate Scholberg）说道。