超级神冈探测器

1998年6月，日本科学家宣布他们的超级神冈中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量。这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本中部岐阜县的小镇神冈町，希望亲眼目睹实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉休指出：“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”

超级神冈探测器

超级神冈探测器内部照

超级神冈探测器主要用来研究太阳中微子。太阳是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量来源。事实上，到达地球太阳光热辐射总功率大约是170万亿千瓦，只占太阳总辐射量的22亿分之一。爱因斯坦相对论的质能关系式使人们了解了核能，而太阳正是靠着核反应才可以长期辐射出巨大能量，这就是太阳能源的来源。在太阳上质子聚变和其他一些轻核反应的过程中不仅释放出能量，而且发射出中微子。人们利用电子学方法或者放射化学的方法探测中微子。1968年，戴维斯发现探测到的太阳中微子比标准太阳模型的计算值少得多。科学还无法解释太阳中微子的失踪之谜，也许是因为中微子还有许多我们不了解的性质。

这个探测装置由来自日本和美国的约120名研究人员共同维护。他们在神冈町地下1千米深处废弃的锌矿坑中设置了一个巨大水池，装有5万吨水，周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，由于水中氢原子核的数目极其巨大，两者发生撞击的概率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，供科学家们分析。

日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20千米处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪子（μ）中微子。研究人员在美国《科学》杂志上报告说，他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入水槽的μ子型中微子，只有理论值的60%；在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个，只剩下理论值的一半。他们据此推断，中微子在通过大气和穿过地球时，一部分发生了振荡现象，即从一种形态转为另一种，变为检测不到的τ子型中微子。根据量子物理的法则，粒子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论不言而喻：中微子具有静止质量。研究人员指出，这个实验结果在统计上的置信度达到99.99%以上。实际上，现在科学家们都相信中微子具有静止质量。就是说，上帝不是一个完全的左撇子。在下表中我们给出了2012年最近科学家对于中微子静止质量的结果。

中微子静止质量

关于中微子的静止质量我们必须说明，实验结果直接来自于不同味的中微子质量平方的差。因为中微子振荡对于该值比较敏感，我们并不是测量的中微子质量的绝对值，我们在下面还要谈到这一点。

由于本书讨论的是微观世界的问题，我们往往将质量和能量的单位统一化。按照通常的习惯，质量的单位应乘上光速c2等于质量的单位，为简便起见，我们采用理论物理学家习惯用的自然单位制，在这个单位制中，光速c等于1（无量纲）。在微观世界中，能量的单位通常用eV（电子伏），keV（千电子伏），MeV（兆电子伏）GeV（吉电子伏）和TeV（太电子伏）。为了使读者熟悉这些单位到底与通常的质量和能量的关系，有较真切的了解，我们先从电子伏谈起，其定义是：

1电子伏＝1.6×10﹣18焦耳

电子伏是极小的能量单位。举个例子，一只蚂蚁从地面沿树干搬运花粉，每搬上1厘米，就必须消耗1万亿电子伏的功。

在微观世界中，电子伏绝非是微不足道的。把电子从氢原子的内部“敲出来”，要做13.6电子伏的功。把一个氢分子“打碎”，分解为两个氢原子所需的能量，大约是4电子伏。但是把一个微观粒子的能量增加一个电子伏，通过加热，则相当于将温度提高1万摄氏度。

如果我们要深入到更深的微观层次，深入到原子核“宫殿”的大门，需要的能量就要用兆电子伏做单位了。1919年，卢瑟福用α粒子作为“炮弹”，轰击氮核，第一次打开原子核宫殿的大门，α粒子所携带的动能是7.68兆电子伏。1兆电子伏，即100万电子伏。威力无比的原子弹，是利用铀原子裂变时所释放的能量。一个铀原子裂变时，大约提供185兆电子伏的能量。

要揭开基本粒子的秘密，廓清粒子王国的疑云怪雾，需要更高的能量，这时需要以吉电子伏作为单位。1吉电子伏即10亿电子伏。中子和质子的质量约为1吉电子伏，注意我们采用的是自然单位制。目前世界上最大的加速器，欧洲核子中心（CERN）的质子加速器，可以把质子的能量加速到14太电子伏。我国北京正负电子对撞机，于1998年10月对撞成功，其能量为2×2.8吉电子伏。

一般说来，越是深入到“小宇宙”深处，我们越是需要更高的能量。我们已经知道20世纪80年代初发现的中间玻色子的质量为80～100吉电子伏。我们还知道，理论预言在能量1015～1019吉电子伏处，或者会观察到强、弱和电磁力的大统一现象。为了进一步在小宇宙寻幽探胜，看来需要更高、更高的能量。

然而这又谈何容易。现在的大加速器城，已经方圆数十千米，耗资成百亿美元。要建设能量1万倍（或更高能量）的加速器，无论在人力、物力以及技术条件上，在近期内都是难以实现的。

然而幸运的是，茫茫宇宙有许多“天然”加速器，我们不要忘记，从20世纪30年代起，人们就从宇宙深处的神秘来客——宇宙射线中，发现了正电子、μ介子、π介子、中微子等许多种奇异的粒子。

许多剧烈进行的天体现象所释放的能量之巨大，令人难以想象。例如，1979年3月5日一个国际性的人造行星的科学仪器，探测到大麦哲伦星云中发生的一次特大的γ射线爆发。这一次爆发持续的时间为0.15秒，辐射的总能量超过10万亿亿亿焦耳。如果折合成煤，则要燃烧掉5万个地球能量的煤。如果折算为裂变的铀，也要消耗几十亿亿千克。

这就是说，宇宙中有许多宏伟的超高能实验基地。人们也许想不到，很早期宇宙甚至具备为小宇宙的探索所需要的全部实验条件呢！超高能、超高压、超致密、超强电磁场、超高温，如此等等，谁想的到呢！

读者可能要问，为什么不利用测量中微子速度的方法，以确定中微子的静止质量。按理来说，这是最直接的方法。但是事实证明这种方法是不现实的。主要原因是中微子的静止质量太小，从现在的观察资料来看，其静止质量的上限不超过电子质量的百万分之一，因此，其速度纵然是小于光速，但是与光速之间的差别会非常非常小，以至于我们目前的测量手段无法确定。有趣的是从20世纪80年代开始，尤其是2007年MINOS检测器，竟然发现中微子的速度在0.999976c到1.000126c，其中c表示光速。人们由此断定，μ中微子的质量上限为50兆电子伏，置信度达99%。至于2011年9月OPERA实验组宣布发现17吉电子伏到28吉电子伏的中微子的速度超过光速的笑话，我们下面还会详细介绍，但是至少表明中微子的速度测量是十分困难的事情。2012年7月，欧洲核子中心宣布，他们隶属的4个实验小组（OPERA、ICARUS、Borexino和LVD）的实验表明，OPERA原来的结果是错误的。中微子的速度和光速在他们的实验精度内是一致的。这个结果充分表明，目前的实验手段，要准确判断中微子的速度与光速的差别为多大是十分困难的。

基本粒子全图

为了给读者关于基本粒子世界一个完整的印象，下面的图中我们给出了所有基本粒子的图像。其中有三代夸克和轻子，每种夸克有3种味道，共计24个成员。胶子是传递强相互作用的媒介粒子，有8种颜色，光子是传递电磁相互作用的粒子，Z和W±玻色子是传递弱相互作用的粒子。媒介粒子又称规范粒子，共计12种。考虑到每种基本粒子都用相应的反粒子（光子除外），因此，就目前被实验证实的基本粒子成员为62个。

在下图中我们给出了微观世界的尺度大小，以便读者对于我们讨论的对象有一个直观的形象的认识。

微观世界的尺度大小