天文学家带你漫步中微子世界（上）

Z=左文文

C=陈学雷

Z：中微子是什么?

C：中微子是一种不带电、只参与弱相互作用的粒子。人类已知的相互作用有四种，就是万有引力、电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用。其中，后两种是在核反应中发现的，根据反应的强弱命名的。

19世纪末，人们发现了放射性：原子核会发生衰变。这其中有一种衰变，叫beta衰变，会发射出beta射线，也就是电子。但是，人们经过仔细测量后发现一个奇怪的现象，就是同一种核产生的beta衰变电子能量不是一个固定值。问题就在这里： beta衰变后的原子核几乎是固定不动的，它的能量可以用质能公式E=mc²算出来，如果电子能量是可变的，那么衰变后的总能量就不守恒了。

为了解释这一现象，当时有两种猜想：玻尔猜想也许在 beta衰变中能量不守恒，泡利则猜想也许在beta衰变中除了电子外还产生了另一种没有被观测到的粒子。为什么它没有被观测到呢?如果这种粒子不带电，质量又很小，就可以不被观测到。泡利把这种粒子称为“中子”(neutron)，也就是中性(不带电荷)粒子的意思。不过因为这个名字与我们熟知的中子相冲突，所以后来费米把它改名为中微子(neutrino)。

由于中微子不参与强相互作用和电磁相互作用，因此它很难探测。1942年，我国著名科学家王淦昌先生提出了用beta俘获探测中微子，但直到1956年，Clyde L. Cowan 和 Frederick Reines 才用核反应堆作为中微子源探测到了中微子, 他们因这一工作于1995年获得了诺贝尔奖。1962年，Leon M. Lederman, Melvin Schwartz 和 Jack Steinberger 用实验证明存在不同“味道”的中微子，也就是每一种带电的轻子有一种与之对应的中微子，与电子对应的叫电子中微子，与mu子对应的叫mu子中微子，还有后来发现的tau子应该也有对应tau子中微子。他们三人于1988年获得了诺贝尔奖。

Z：中微子振荡是什么?是理论上先提出来的吗?

C：中微子振荡是中微子由一种“味道”变成另一种“味道”，比如由电子中微子变成mu子中微子，但这种变化不是永久的，过一段时间后又变回来，好像钟摆会摆来摆去一样，所以叫振荡。中微子振荡是意大利物理学家Bruno Pontecorvo(1913-1993) 于1957年提出的。Pontecorvo曾经是费米的助手，法西斯上台后去了北美，后来参与了英国的原子弹计划。Pontecorvo是位共产党员，也有传言说是苏联间谍。1950年他举家逃到了苏联。之后一直在苏联做研究, 中微子振荡就是他从理论上提出的。

Z：诺奖的认可也说明了中微子研究领域的重要性，中微子研究为什么如此重要呢?

答：中微子研究体现了人类探索大自然奥秘的卓越成就。通过理论分析，泡利、Pontecorvo等人提出了中微子和中微子振荡的概念，Bahcall 等人给出了定量化的理论预言，而这样一种飘渺难寻的粒子，经过几十年不懈的努力，人们不仅测到了它，而且最终弄清了它的性质，这是非常了不起的成就。中微子是一种只参与弱相互作用的粒子，对它的研究，也可以为我们研究大统一理论、质量的起源、对称破缺、超新星、暗物质等提供很多线索。因此，今后这仍将是一个非常重要的研究领域。

C：该领域的研究成果对于探索暗物质有什么样的启示?

答：一般所说的中微子是指我们上面所提到的标准模型中微子，这种中微子本身就曾经是暗物质的候选者，不过它们的质量比较小，属于所谓“热暗物质”。上世纪80年代，随着天文观测的进步，人们发现热暗物质模型预言的星系形成过程与观测不符合，而“冷暗物质”模型符合得较好，因此现在人们认为标准模型中微子并非暗物质主要成分。

不过，在现在的暗物质理论中，有一种猜测是除了标准模型中微子外，还存在所谓“惰性中微子”，也就是连弱相互作用也不参与但是可以与标准模型中微子相互振荡转化的中微子，它可以作为暗物质。标准中微子的研究，也可以帮助我们进一步研究和限制这种暗物质模型。

另外，有的暗物质模型中，比如超对称暗物质模型中，太阳和地球中心都会沉积暗物质粒子，这些粒子相互湮灭可以产生一些能量较高的中微子，穿出太阳和地球而被探测到，因此这也是一种暗物质间接探测的手段。南极的冰立方探测器就在进行这种探测，不过还没有发现这样的中微子。

另外，我觉得中微子研究的历程也给我们一种启示和信心。暗物质还没有被探测到，但是，假设暗物质存在和推测暗物质性质的理论研究方法、甚至探测暗物质的一些实验手段，都和中微子研究非常相似。因此，要对科学有信心，只要坚持下去，不断探索，暗物质的研究也一定会取得成功。

Z：中微子宇宙学还有什么样的挑战?宇宙学对中微子的限制有哪些呢?

C：中微子和宇宙学有比较密切的联系。比如，前面我们提到中微子有三种味，每种味道的中微子在宇宙早期的高温中都会产生。如果中微子有不止三种味，那么在宇宙大爆炸的核合成时期，就会有更多相对论性粒子，那么它就会影响核合成持续的时间，而这又会影响合成的氦核的数量。因此，根据宇宙中氦元素的丰度，人们很早就推测轻中微子只有三种味。另外，中微子的味也影响宇宙微波背景辐射各向异性，也可以用这种观测进行限制。

目前人们对中微子宇宙学的最大兴趣是测量中微子的质量。粒子物理实验虽然可以探测到比较高能量的中微子，但这些中微子的能量比它们的静止质量大很多，因此无法精确测量中微子质量;低能量的中微子则很难测量--当然现在也有人在尝试。宇宙学观测数据提供了测量中微子质量的方法：在宇宙早期中微子可以很快扩散，从而在小尺度上抹平原初的密度不均匀性，但不影响大尺度。因此，通过大规模的星系巡天，精密测量宇宙不同尺度上密度涨落的幅度大小(这叫做密度功率谱)，可以定出中微子的质量。目前综合星系巡天和宇宙微波背景辐射数据给出的结果是，三种中微子质量的和为0.3eV左右。

不过，这种测量的方法也有一定的局限性：因为我们并没有办法直接测到宇宙中物质的密度，而只能用星系数密度代替，并假定星系数密度正比于物质密度。如果这种正比关系不是严格成立，而是在不同尺度上比例系数有变化，那么我们的测量结果就会产生系统误差，而从这种测量本身是没有办法发现这种系统误差的。所以，中微子的质量到底是多少，现在还没有明确的答案。去年，我们小组和加拿大多伦多大学的彭威礼教授小组合作，提出了另一种用星系巡天方法测量中微子质量的办法，通过测量不同类型星系的互相关功率谱偶极矩，可以避免这个系统误差。今年我们又继续提出了另一种用弱引力透镜进行中微子质量测量的方法。北京师范大学张同杰教授的研究小组则用天河二号超级计算机进行了一次3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，这是现在世界上含粒子数最多的宇宙学数值模拟。通过分析、研究这一模拟的数据，可以给出用我们的方法实际进行中微子质量测量的方案。总之，我认为中微子宇宙学仍有许多重要的课题有待研究。