科技之謎：“追捕”神秘的中微子（圖文）
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世界各國(guó)曠日持久的“追捕”中微子，能給人類(lèi)帶來(lái)什么好處呢,？觀測(cè)站為什么都必須建在厚厚的土石與巖層之下呢,？“追捕”中微子就像在撒哈拉沙漠里找到某一粒特定的沙子,？
88歲的美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯與76歲的日本科學(xué)家小柴昌俊因?yàn)樵谥形⒆友芯款I(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，于2002年10月獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng),。
曠日持久的“追捕”
捕捉中微子的過(guò)程相當(dāng)漫長(zhǎng),。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直致力于捕捉中微子,。有人說(shuō),，中微子的探尋史如同原子物理中諸多發(fā)現(xiàn)一樣，本身就是一段引人入勝的故事,。1931年,，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)?#183;泡利，通過(guò)大量的理論推理與計(jì)算作出了天才的預(yù)言：在我們的物質(zhì)世界中存在中微子,。他的預(yù)言25年后得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí),，1956年中微子被發(fā)現(xiàn)。1946年,，意大利天才的物理學(xué)家布魯諾·蓬泰科爾沃想出了捕捉這種神秘莫測(cè)的“幽靈”的方法,。他曾在美國(guó)、英國(guó)工作過(guò),。1950年,，他從英國(guó)的哈韋爾途經(jīng)芬蘭轉(zhuǎn)移到蘇聯(lián)，繼續(xù)自己的核物理研究,。蓬泰科爾沃提出了根據(jù)粒子軌跡發(fā)現(xiàn)中微子的著名方法,，其原理是：當(dāng)中微子進(jìn)入氯原子的原子核后，就會(huì)變成可探測(cè)到的放射性氬粒子,。蓬泰科爾沃的方法多年之后才在技術(shù)上得以運(yùn)用,。
目前，世界上存在著近十種不同的中微子探測(cè)器,。具體說(shuō)來(lái),，這些探測(cè)器就是一些極為復(fù)雜的工程設(shè)施。美國(guó)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室坐落在北達(dá)科他州的一個(gè)廢棄金礦井中,。正是在那里，科學(xué)家第一次成功地探測(cè)到由太陽(yáng)放射出的中微子,。當(dāng)時(shí)雷蒙德·戴維斯剛剛五十出頭,。1977年，蘇聯(lián)的第一座中微子觀測(cè)站開(kāi)始運(yùn)行,。1987年2月24日,，在與我們的銀河系為鄰的大麥哲倫云中，一顆引人矚目的超新星出現(xiàn)了,。天文學(xué)家第一次檢測(cè)到來(lái)自這顆超新星的中微子,。在此之前,，人類(lèi)最近一次觀測(cè)到如此“近距離”的超新星爆發(fā)，已是400年前的事了,。中微子作為超新星爆發(fā)的直接證據(jù),，首次被確定。天文學(xué)家期待著能夠一睹這顆超新星爆發(fā)后殘存的中子星的風(fēng)采,。
日本的一臺(tái)巨型探測(cè)器在1987年捕捉到了19個(gè)由超新星爆發(fā)時(shí)釋放的中微子,，領(lǐng)導(dǎo)這些研究的正是小柴昌俊。以日本和美國(guó)科學(xué)家組成的研究小組,，在上述超新星爆發(fā)的前一天,，即2月23日下午4時(shí)35分35秒至48秒之間，共捕捉到11個(gè)中微子,，其中兩個(gè)可以確定來(lái)自大麥哲倫云,。他們利用的裝置設(shè)在日本歧阜縣神岡礦山1000米的地下，他們?cè)谀抢镌O(shè)置了一個(gè)直徑15.6米,、高16米的圓桶形水槽,，其中灌滿(mǎn)了水，足有3000立方米之多,，在水槽的內(nèi)部,，設(shè)置了直徑50厘米的光電倍增管1000個(gè)，當(dāng)中微子來(lái)臨時(shí),，可觀測(cè)到切連科夫光,。在這個(gè)研究小組觀測(cè)到中微子的同一時(shí)刻，美國(guó)設(shè)在阿爾班,、密執(zhí)安,、布魯克黑文的觀測(cè)設(shè)施也捕捉到幾個(gè)中微子，但觀測(cè)精度不及神岡,。這是天文學(xué)家第一次檢測(cè)到來(lái)自這顆超新星的中微子,。根據(jù)日美科學(xué)家小組在神岡捕捉到的中微子的數(shù)量、能量和到達(dá)地球的時(shí)間,，日本東京大學(xué)副教授佐藤勝?gòu)┙?jīng)過(guò)計(jì)算指出,，這顆爆發(fā)的超新星的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的15倍；被覆蓋的星核的表面溫度約300億攝氏度,；中微子的動(dòng)能在25電子伏特以下,。日美科學(xué)家在神岡的觀測(cè)證實(shí)了這一結(jié)論。他們捕捉到的是在氣體中形成的中微子,。中微子由于受到電子的直接碰撞,，其飛行方向是明確的，而反中微子受到原子核的吸引,，放出正電子,，其飛行方向不確定,。由于原子核遠(yuǎn)大于電子，所以容易檢測(cè)出反中微子,。
來(lái)自超新星的中微子
與超新星的名稱(chēng)正相反,，超新星是恒星末日的大爆炸，如果它與地球的距離與太陽(yáng)相仿,，那么它比太陽(yáng)明亮幾億到幾十億倍,。一顆超新星的亮度，會(huì)使恒星的龐大集團(tuán)──銀河系都黯然失色,。盡管每年都發(fā)現(xiàn)幾個(gè)超新星的記載,，但這些超新星都屬于遙遠(yuǎn)的星系，只有用天文望遠(yuǎn)鏡才能看到,。在最近1000年中,，共有5顆屬于銀河系的超新星被發(fā)現(xiàn)，并留下了記錄,。中國(guó)《宋史》中記載的1054年的超新星便是其中之一,，其殘骸就是金牛座的蟹狀星云。自1604年開(kāi)普勒在蛇夫座發(fā)現(xiàn)一顆超新星以來(lái),，人類(lèi)在近400年的光陰中一直沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)超新星,。大麥哲倫云雖說(shuō)屬于別的星系，但距離銀河系只有15光年,，依宇宙尺度來(lái)看,，已近在咫尺了。在大麥哲倫云中出現(xiàn)的這顆閃耀著紅色光芒的超新星,，光度曾增至 4倍,，但這已比太陽(yáng)明亮幾千萬(wàn)倍了。這是自開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)銀河系超新星以來(lái),，人類(lèi)在南半球能用肉眼看到的第一顆超新星,。
如果超新星距太陽(yáng)系再遠(yuǎn)一些，那么能捕捉到的中微子也就更少,，有關(guān)超新星的信息就難以獲得,。大麥哲倫云似乎處于這一極限距離上。與太陽(yáng)質(zhì)量相仿的恒星,，當(dāng)內(nèi)部的核聚變達(dá)到某一階段時(shí),，就會(huì)燃燒殆盡，以致冷縮成一顆白矮星,。今天的太陽(yáng)直徑是地球的許多倍,，但一旦成為白矮星,，其直徑與地球就不相上下了,。不過(guò),，質(zhì)量是太陽(yáng)8倍以上的恒星，其情況就迥然不同了,。當(dāng)這種恒星核心內(nèi)的核反應(yīng)進(jìn)行到一定限度,，由于核聚變，其核心就會(huì)逐漸積累重元素,，與此同時(shí)溫度逐漸上升,，達(dá)到數(shù)十億攝氏度后，重元素全部轉(zhuǎn)變成鐵,，而鐵不再是核反應(yīng)的燃料,，核反應(yīng)到此結(jié)束。
由鐵元素構(gòu)成的星核因?yàn)楸旧淼闹亓Χ湛s,，致使溫度進(jìn)一步升高,，造成往來(lái)突奔的光子的能量驟增，終于將鐵元素?fù)魵?。鐵元素分解后變成氦元素,，并進(jìn)一步分解成質(zhì)子和中子。質(zhì)子和電子又轉(zhuǎn)化為中子,。由于鐵元素在轉(zhuǎn)化成氦元素時(shí)是吸熱反應(yīng),，恒星的核心轉(zhuǎn)瞬間就塌縮了。恒星的鐵“心臟”一下子土崩瓦解,。在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的中微子,。有人以為中微子就是這樣攜帶著能量逃之夭夭的，情況似乎并非這么簡(jiǎn)單,。據(jù)美國(guó)勞倫斯利巴莫研究所的科學(xué)家威爾遜等人的最新理論,，中微子并不容易逃逸，只是在“擁擠不堪”時(shí)才向外“溢出”,，形成爆炸能,，掃除了超新星周?chē)臍怏w，這場(chǎng)沖擊波同時(shí)加熱了氣體,，于是又制造出大量的中微子與反中微子,。
總之，中微子是超新星爆發(fā)的直接證據(jù)是沒(méi)有疑問(wèn)的,。中微子將超新星爆發(fā)時(shí)能量的99％席卷而去,，氣體的亮度和高速膨脹的能量，只占超新星爆發(fā)能量的1％,。
全球努力張網(wǎng)捕捉
在加拿大的安大略省,，一座中微子觀測(cè)站不久前投入使用，其規(guī)模之大令人稱(chēng)奇。整個(gè)工程耗時(shí)8年,。100名專(zhuān)家負(fù)責(zé)這座相當(dāng)于10層樓高的地下建筑的運(yùn)營(yíng),。科學(xué)設(shè)備放置在地下2公里深處,。
意大利則在格朗薩隧道里安放了自己的地下探測(cè)器,。為什么這些觀測(cè)站都必須建在厚厚的土石與巖層之下呢？原因很簡(jiǎn)單,，土壤能夠阻擋除了中微子之外的所有粒子,。因此，只有中微子可能“造訪”探測(cè)器,。在數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的粒子中,，能夠被探測(cè)到的只是個(gè)別粒子。而冰與水可以用作中微子的天然攔截器,。在南極洲,，研究人員在永凍冰層上垂直鉆孔，將探測(cè)器放入其中,，然后將水倒入孔中,，小孔很快就會(huì)凍結(jié)。同樣的設(shè)備也被放入俄羅斯貝加爾湖深處,?？茖W(xué)家還計(jì)劃將另一個(gè)探測(cè)器放入希臘附近的地中海中。
與世界上許多國(guó)家一樣,，俄羅斯也在積極開(kāi)展中微子研究,。位于厄爾布魯士附近的安德?tīng)柶嫔降叵律钐幍母呒铀靼涂松Ｖ形⒆佑^測(cè)站則對(duì)這一研究起了重要作用。這里的幾位科研人員本來(lái)可以與戴維斯和小柴昌俊一同分享今年的諾貝爾物理獎(jiǎng),。
蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始選擇地下觀測(cè)站地址,，合適地點(diǎn)應(yīng)該位于非地震區(qū)，擁有充足的電力資源與道路設(shè)施,。此外,，巖層不能有太強(qiáng)的放射性，最后一個(gè)條件使得煤礦礦井從各候選地址中脫穎而出,，而且礦井中也有大量的塵土,。最后，地點(diǎn)選在了北高家索山麓,?？茖W(xué)家們決定沿水平方向挖出一條隧道，直通卡巴爾達(dá)─巴爾卡爾共和國(guó)安德?tīng)柶嫔矫}的地下深處,。
這項(xiàng)工程于1967年開(kāi)工,。施工時(shí)使用了特殊的材料,。眾所周知，普通的礫石,、花崗巖,、大理石本身都有微弱的放射性。雖然對(duì)人體無(wú)害,，然而捕捉中微子的設(shè)備卻不能受到其他粒子的任何影響?？茖W(xué)家從烏拉爾運(yùn)來(lái)最為古老,、放射性極低的巖塊，用來(lái)制作混凝土,。十年后,，也就是1977年，觀測(cè)站的第一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始工作,。它距離山腳500米,。大廳十分寬敞，面積相當(dāng)于兩個(gè)室內(nèi)網(wǎng)球場(chǎng),。俄羅斯科學(xué)院院士,、核研究所中微子天體物理室主任格奧爾基·季莫費(fèi)耶維奇·扎采平說(shuō)，他打算很快再次前往巴克桑中微子觀測(cè)站,。安德?tīng)柶嫔絻?nèi)部能明顯地感覺(jué)到地?zé)?，如果沒(méi)有通風(fēng)設(shè)備，空氣能升到40攝氏度,。觀測(cè)站就像一個(gè)神奇的中繼站———宇宙深處與地球地核之間的中繼站,。這里，人們對(duì)宇宙中的神秘幽靈的追蹤還將繼續(xù)下去,。一臺(tái)裝有3200個(gè)探測(cè)器的地下望遠(yuǎn)鏡占據(jù)了整個(gè)大廳,。接下來(lái)，在距入口3.5公里的隧道最深處（此處的山高為1270米）擺放著鎵鍺中微子望遠(yuǎn)鏡,。它的工作原理是：當(dāng)中微子與液態(tài)金屬鎵原子發(fā)生作用時(shí),，就會(huì)形成放射性鍺，我們就能把它記錄下來(lái),。望遠(yuǎn)鏡的安裝工作于1987年完成,。在這里，科學(xué)家第一次探測(cè)到太陽(yáng)內(nèi)部深處發(fā)出的完整粒子流,?？梢哉f(shuō)，這是世界科學(xué)史上的重大事件,。這次實(shí)驗(yàn)是與美國(guó)科學(xué)家共同完成的,。
從超新星到中子星,、脈沖星
已知超新星有兩種類(lèi)型。亮度大而急劇變暗的是Ⅰ型,；緩慢變暗的是Ⅱ型,。大質(zhì)量恒星的超新星爆發(fā)是Ⅱ型，令人費(fèi)解的是,，橢圓星系中出現(xiàn)的超新星都是Ⅰ型,。由于構(gòu)成太陽(yáng)系橢圓星系的都是衰老而質(zhì)量大的恒星，所以可以認(rèn)為Ⅰ型超新星是太陽(yáng)一類(lèi)恒星的垂死時(shí)期,。衰變?yōu)榘装堑暮阈窃谧兂沙滦菚r(shí),，通常都形成雙星。構(gòu)成雙星之一的巨星由于膨脹,，大量氣體注入白矮星,。由于氣體的積累，白矮星被壓縮,，中心溫度急劇上升,，使已停止的核反應(yīng)重新開(kāi)始。核反應(yīng)如此激烈,，以致使整個(gè)星體炸為碎片,。據(jù)專(zhuān)家分析，1604年開(kāi)普勒觀測(cè)到的超新星便是Ⅰ型超新星,。
Ⅰ型和Ⅱ型超新星可根據(jù)分析氣體光譜區(qū)別開(kāi),。在Ⅱ型超新星氣體光譜中，可看到很亮的氫氣輝線(xiàn),。大麥哲倫云中的超新星是Ⅱ型超新星,。據(jù)研究，Ⅱ型超新星的殘骸是中子星或是黑洞,。從觀測(cè)到的超新星的質(zhì)量看來(lái),，它似乎會(huì)成為一顆中子星。根據(jù)γ射線(xiàn)和χ射線(xiàn),，以及電磁波的觀測(cè),，就能確定它的存在，旋轉(zhuǎn)著的中子星會(huì)像灑水車(chē)一樣向周?chē)椛潆姶挪?，此時(shí)它便是一顆脈沖星,。
曾因著述《1、2,、3……無(wú)限大》,、《不可思議的國(guó)家──托木金斯》等科學(xué)啟蒙書(shū)而名聞遐邇的美國(guó)物理學(xué)家喬治·卡莫夫（生于俄國(guó)），早在1941年就認(rèn)為,，由于中微子帶走了恒星的能量,，導(dǎo)致恒星的潰滅和超新星的爆發(fā),，他稱(chēng)這為“烏爾加過(guò)程”。“烏爾加”是南美洲一家著名的賭場(chǎng)的名字,，賭客在這里時(shí)常在不長(zhǎng)時(shí)間里就輸?shù)靡晃牟幻?，卡莫夫以此?lái)比喻中微子是如何在轉(zhuǎn)瞬間帶走了恒星的能量。
尋找撒哈拉沙漠一粒特殊的沙子
在奧地利著名科學(xué)家泡利預(yù)言中微子的存在25年后,，人類(lèi)就在1956年發(fā)現(xiàn)了中微子,。他的先見(jiàn)之明為人類(lèi)開(kāi)拓了一條新的探索未知世界的道路，而預(yù)言過(guò)宇宙初始大爆炸的余熱背景輻射的卡莫夫同樣是令人敬佩的,。過(guò)去科學(xué)家對(duì)中微子的質(zhì)量是否存在心存疑惑,，現(xiàn)在中微子的質(zhì)量基本得到確認(rèn)。
科學(xué)家在巴克桑觀測(cè)站捕捉到的中微子非常少,。試想一下，盛有50噸液態(tài)鎵的巨桶,，整整一個(gè)月只能記錄到幾十個(gè)鍺原子,。要找到這些原子──這就像在撒哈拉沙漠里找到某一粒特定的沙子。要找到鍺原子,，需要在50噸液鎵中排查無(wú)數(shù)原子,。實(shí)際上，在大山內(nèi)部深處有一家化工廠,，工廠里進(jìn)行著特殊的分析,，一天24小時(shí)地篩查著50噸液態(tài)金屬?？茖W(xué)家們沒(méi)有太多的時(shí)間,，因?yàn)閱蝹€(gè)的放射性鍺原子會(huì)迅速衰變。
世界各國(guó)對(duì)中微子的研究開(kāi)展得十分廣泛,，這能給人類(lèi)帶來(lái)什么好處呢,？科學(xué)家認(rèn)為未來(lái)幾年就會(huì)有驚人的發(fā)現(xiàn)。今天,，這些研究能讓我們更好地了解太陽(yáng)是怎樣工作的,，自由穿行于宇宙空間、星系,、行星的中微子流,，能夠傳遞超新星與宇宙深處未知情況的獨(dú)特信息。將來(lái)的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)幫助我們揭開(kāi)宇宙形成的奧秘,。(沈英甲) |
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