資料來源：新華網

2003年4月8日

稿件來源： 科技日報 世界各國曠日持久的“追捕”中微子，能給人類帶來什么好處呢？ 觀測站為什么都必須建在厚厚的土石與岩層之下呢？“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歲的美國科學家雷蒙德﹒戴維斯與76歲的日本科學家小柴昌俊因 為在中微子研究領域的突出貢獻，于2002年10月獲得了諾貝爾物理 獎。 　 曠日持久的“追捕” 捕捉中微子的過程相當漫長。長期以來，科學家一直致力于捕捉中 微子。有人說，中微子的探尋史如同原子物理中諸多發現一樣，本 身就是一段引人入勝的故事。1931年，奧地利物理學家沃爾夫岡﹒ 泡利，通過大量的理論推理與計算作出了天才的預言：在我們的物 質世界中存在中微子。他的預言25年后得到了實驗的証實，1956年 中微子被發現。1946年，意大利天才的物理學家布魯諾﹒蓬泰科爾 沃想出了捕捉這種神秘莫測的“幽靈”的方法。他曾在美國、英國 工作過。1950年，他從英國的哈韋爾途經芬蘭轉移到蘇聯，繼續自 己的核物理研究。蓬泰科爾沃提出了根據粒子軌跡發現中微子的著 名方法，其原理是：當中微子進入氯原子的原子核后，就會變成可 探測到的放射性氬粒子。蓬泰科爾沃的方法多年之后才在技朮上得 以運用。 目前，世界上存在著近十種不同的中微子探測器。具體說來，這些 探測器就是一些極為復雜的工程設施。美國的科學實驗室坐落在北 達科他州的一個廢棄金礦井中。正是在那里，科學家第一次成功地 探測到由太陽放射出的中微子。當時雷蒙德﹒戴維斯剛剛五十出頭 。1977年，蘇聯的第一座中微子觀測站開始運行。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 現了。天文學家第一次檢測到來自這顆超新星的中微子。在此之前 ，人類最近一次觀測到如此“近距離”的超新星爆發，已是400年 前的事了。中微子作為超新星爆發的直接証據，首次被確定。天文 學家期待著能夠一睹這顆超新星爆發后殘存的中子星的風采。 日本的一台巨型探測器在1987年捕捉到了19個由超新星爆發時釋放 的中微子，領導這些研究的正是小柴昌俊。以日本和美國科學家組 成的研究小組，在上述超新星爆發的前一天，即2月23日下午4時35 分35秒至48秒之間，共捕捉到11個中微子，其中兩個可以確定來自 大麥哲倫云。他們利用的裝置設在日本歧阜縣神岡礦山1000米的地 下，他們在那里設置了一個直徑15.6米、高16米的圓桶形水槽，其 中灌滿了水，足有3000立方米之多，在水槽的內部，設置了直徑50 厘米的光電倍增管1000個，當中微子來臨時，可觀測到切連科夫光 。在這個研究小組觀測到中微子的同一時刻，美國設在阿爾班、密 執安、布魯克黑文的觀測設施也捕捉到几個中微子，但觀測精度不 及神岡。這是天文學家第一次檢測到來自這顆超新星的中微子。根 據日美科學家小組在神岡捕捉到的中微子的數量、能量和到達地球 的時間，日本東京大學副教授佐藤勝彥經過計算指出，這顆爆發的 超新星的質量相當于太陽的15倍﹔被覆蓋的星核的表面溫度約300 億攝氏度﹔中微子的動能在25電子伏特以下。日美科學家在神岡的 觀測証實了這一結論。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 遠大于電子，所以容易檢測出反中微子。 來自超新星的中微子 與超新星的名稱正相反，超新星是恆星末日的大爆炸，如果它與地 球的距離與太陽相仿，那么它比太陽明亮几億到几十億倍。一顆超 新星的亮度，會使恆星的龐大集團──銀河系都黯然失色。盡管每 年都發現几個超新星的記載，但這些超新星都屬于遙遠的星系，只 有用天文望遠鏡才能看到。在最近1000年中，共有5顆屬于銀河系 的超新星被發現，并留下了記錄。中國《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 普勒在蛇夫座發現一顆超新星以來，人類在近400年的光陰中一直 沒有再發現超新星。大麥哲倫云雖說屬于別的星系，但距離銀河系 只有15光年，依宇宙尺度來看，已近在咫尺了。在大麥哲倫云中出 現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 陽明亮几千萬倍了。這是自開普勒發現銀河系超新星以來，人類在 南半球能用肉眼看到的第一顆超新星。 如果超新星距太陽系再遠一些，那么能捕捉到的中微子也就更少， 有關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。與太陽質量相仿的恆星，當內部的核聚變達到某一階段時，就 會燃燒殆盡，以致冷縮成一顆白矮星。今天的太陽直徑是地球的許 多倍，但一旦成為白矮星，其直徑與地球就不相上下了。不過，質 量是太陽8倍以上的恆星，其情況就迥然不同了。當這種恆星核心 內的核反應進行到一定限度，由于核聚變，其核心就會逐漸積累重 元素，與此同時溫度逐漸上升，達到數十億攝氏度后，重元素全部 轉變成鐵，而鐵不再是核反應的燃料，核反應到此結束。 由鐵元素構成的星核因為本身的重力而收縮，致使溫度進一步升高 ，造成往來突奔的光子的能量驟增，終于將鐵元素擊毀。鐵元素分 解后變成氦元素，并進一步分解成質子和中子。質子和電子又轉化 為中子。由于鐵元素在轉化成氦元素時是吸熱反應，恆星的核心轉 瞬間就塌縮了。恆星的鐵“心臟”一下子土崩瓦解。在這個過程中 產生了大量的中微子。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單。據美國勞倫斯利巴莫研究所的科學 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”時才向外“溢出”，形成爆炸能，掃除了超新星周圍的氣體， 這場沖擊波同時加熱了氣體，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的直接証據是沒有疑問的。中微子將超 新星爆發時能量的99％席卷而去，氣體的亮度和高速膨脹的能量， 只占超新星爆發能量的1％。 全球努力張網捕捉 在加拿大的安大略省，一座中微子觀測站不久前投入使用，其規模 之大令人稱奇。整個工程耗時8年。100名專家負責這座相當于10層 樓高的地下建筑的運營。科學設備放置在地下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器。為什么這些觀 測站都必須建在厚厚的土石與岩層之下呢？原因很簡單，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” 探測器。在數以萬億計的粒子中，能夠被探測到的只是個別粒子。 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 凍冰層上垂直鑽孔，將探測器放入其中，然后將水倒入孔中，小孔 很快就會凍結。同樣的設備也被放入俄羅斯貝加爾湖深處。科學家 還計划將另一個探測器放入希臘附近的地中海中。 與世界上許多國家一樣，俄羅斯也在積極開展中微子研究。位于厄 爾布魯士附近的安德爾奇山地下深處的高加索巴克桑中微子觀測站 則對這一研究起了重要作用。這里的几位科研人員本來可以與戴維 斯和小柴昌俊一同分享今年的諾貝爾物理獎。 蘇聯從20世紀60年代初開始選擇地下觀測站地址，合適地點應該位 于非地震區，擁有充足的電力資源與道路設施。此外，岩層不能有 太強的放射性，最后一個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，地點選在了北高家索山麓 。科學家們決定沿水平方向挖出一條隧道，直通卡巴爾達─巴爾卡 爾共和國安德爾奇山脈的地下深處。 這項工程于1967年開工。施工時使用了特殊的材料。眾所周知，普 通的礫石、花崗岩、大理石本身都有微弱的放射性。雖然對人體無 害，然而捕捉中微子的設備卻不能受到其他粒子的任何影響。科學 家從烏拉爾運來最為古老、放射性極低的岩塊，用來制作混凝土。 十年后，也就是1977年，觀測站的第一個地下實驗室開始工作。它 距離山腳500米。大廳十分寬敞，面積相當于兩個室內網球場。俄 羅斯科學院院士、核研究所中微子天體物理室主任格奧爾基﹒季莫 費耶維奇﹒扎采平說，他打算很快再次前往巴克桑中微子觀測站。 安德爾奇山內部能明顯地感覺到地熱，如果沒有通風設備，空氣能 升到40攝氏度。觀測站就像一個神奇的中繼站───宇宙深處與地 球地核之間的中繼站。這里，人們對宇宙中的神秘幽靈的追蹤還將 繼續下去。一台裝有3200個探測器的地下望遠鏡占據了整個大廳。 接下來，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鏡。它的工作原理是：當中微子與液態金屬鎵 原子發生作用時，就會形成放射性鍺，我們就能把它記錄下來。望 遠鏡的安裝工作于1987年完成。在這里，科學家第一次探測到太陽 內部深處發出的完整粒子流。可以說，這是世界科學史上的重大事 件。這次實驗是與美國科學家共同完成的。 從超新星到中子星、脈沖星 已知超新星有兩種類型。亮度大而急劇變暗的是Ⅰ型﹔緩慢變暗的 是Ⅱ型。大質量恆星的超新星爆發是Ⅱ型，令人費解的是，橢圓星 系中出現的超新星都是Ⅰ型。由于構成太陽系橢圓星系的都是衰老 而質量大的恆星，所以可以認為Ⅰ型超新星是太陽一類恆星的垂死 時期。衰變為白矮星的恆星在變成超新星時，通常都形成雙星。構 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，使已停止的核反應重新開 始。核反應如此激烈，以致使整個星體炸為碎片。據專家分析，16 04年開普勒觀測到的超新星便是Ⅰ型超新星。 Ⅰ型和Ⅱ型超新星可根據分析氣體光譜區別開。在Ⅱ型超新星氣體 光譜中，可看到很亮的氫氣輝線。大麥哲倫云中的超新星是Ⅱ型超 新星。據研究，Ⅱ型超新星的殘骸是中子星或是黑洞。從觀測到的 超新星的質量看來，它似乎會成為一顆中子星。根據γ射線和χ射線 ，以及電磁波的觀測，就能確定它的存在，旋轉著的中子星會像洒 水車一樣向周圍輻射電磁波，此時它便是一顆脈沖星。 曾因著述《1、2、3……無限大》、《不可思議的國家──托木金 斯》等科學啟蒙書而名聞遐邇的美國物理學家喬治﹒卡莫夫（生于 俄國），早在1941年就認為，由于中微子帶走了恆星的能量，導致 恆星的潰滅和超新星的爆發，他稱這為“烏爾加過程”。“烏爾加 ”是南美洲一家著名的賭場的名字，賭客在這里時常在不長時間里 就輸得一文不名，卡莫夫以此來比喻中微子是如何在轉瞬間帶走了 恆星的能量。 尋找撒哈拉沙漠一粒特殊的沙子 在奧地利著名科學家泡利預言中微子的存在25年后，人類就在1956 年發現了中微子。他的先見之明為人類開拓了一條新的探索未知世 界的道路，而預言過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。過去科學家對中微子的質量是否存在心存疑惑，現 在中微子的質量基本得到確認。 科學家在巴克桑觀測站捕捉到的中微子非常少。試想一下，盛有50 噸液態鎵的巨桶，整整一個月只能記錄到几十個鍺原子。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噸液鎵中排查無數原子。實際上，在大山內部深 處有一家化工廠，工廠里進行著特殊的分析，一天24小時地篩查著 50噸液態金屬。科學家們沒有太多的時間，因為單個的放射性鍺原 子會迅速衰變。 世界各國對中微子的研究開展得十分廣泛，這能給人類帶來什么好 處呢？科學家認為未來几年就會有驚人的發現。今天，這些研究能 讓我們更好地了解太陽是怎樣工作的，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特信 息。將來的發現可能會幫助我們揭開宇宙形成的奧秘。(沈英甲)　 小詞典 中微子在宇宙中大量存在，每秒鐘穿過人體的中微子多達几萬億個 。然而，要發現并捕獲它們卻異常困難，因為它們形同幽靈，來無 影去無蹤。 中微子是一種神秘的宇宙粒子，具有不可思議的極強的穿透能力， 能夠自由地穿過牆壁、山脈、甚至地球與其他行星。物理學家估計 ，中微子能夠自由穿透厚度比地球到太陽的距離還高出几十億倍的 鐵板。如果有數光年厚的一個鉛做成的壁壘的話，中微子也能從容 穿過。 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特信息。將來的發現可能會幫助我們揭開宇 宙形成的奧秘。