物理学家追踪并捕获难以捉摸的中微子

# 物理学家如何追踪并捕获难以捉摸的中微子 | Quanta杂志 来源：https://www.quantamagazine.org/how-physicists-track-and-trap-the-elusive-neutrino-20260624/ 七十年前，物理学家克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯制作了一个定制的大型探测器，重达10吨，周围用厚厚的铅墙和湿沙袋包裹，并将其放置在南卡罗来纳州萨凡纳河工厂的一个强大核反应堆旁。他们将这个实验称为"猎鬼计划"，旨在捕捉幽灵。 早在四分之一个多世纪前，物理学家们就一直在困惑，为什么在一种名为β衰变的放射性过程中能量似乎会丢失。有些东西不见了，而已知的物理学无法解释。随后在1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出了一个激进的解决方案：一种几乎无法探测到的粒子悄无声息地带走了丢失的能量。"我做了一件可怕的事，"泡利对一位朋友说。"我假设了一种无法探测到的粒子。"这种粒子后来被称为中微子。由于几乎没有质量且不带电荷，这些粒子可以穿过地球及其上的一切，包括我们的身体，几乎不受阻碍。 考恩和莱因斯在1956年初部署的庞大装置旨在找到泡利认为不可能的东西。那年6月，这两位来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家给泡利发了一封电报（https://timeline.web.cern.ch/neutrinos-detected-last），内容为："我们很高兴地通知您，我们已确定探测到了中微子。" 随后，注意力转向了一个更广泛的问题。如果核反应产生中微子，我们能否利用它们来观察恒星（包括太阳）内部的核焰火？这提出了一个巨大的挑战：如果这些粒子几乎可以不被察觉地穿过任何东西，你如何才能捕捉到来自遥远恒星的粒子？人们怀疑，要探测到一种极少与物质碰撞的粒子，就需要大量的物质供其碰撞。此外，这些物质必须屏蔽掉其他形式辐射的噪音。因此，科学家们想出的答案是建造科学史上一些最大、最深、最奇特的实验陷阱……然后等待。 20世纪60年代，布鲁克海文国家实验室的小雷蒙德·戴维斯及其同事在南达科他州霍姆斯特克矿井地下1.5公里处放置了一个储罐，并注入了近40万升名为四氯乙烯的氯基清洁液。在罕见的时刻，当一个经过的中微子撞击到氯原子核时，它会转化为一种可被探测和计数的放射性氩形式。这个持续运行了25年的实验发现，来自太阳的中微子数量仅为理论模型预测的三分之一。这被称为太阳中微子问题。 几十年后，这个问题才得以解决——依靠更为庞大的实验。在日本神冈矿山的深处，小柴昌俊建造了一种名为神冈探测器的不同探测器，它使用了300万升超纯水。在这种设置中，中微子偶尔会与水中的原子核相互作用。这种相互作用会产生一个电子，其运动速度极快，从而产生一种称为切伦科夫光的闪光。这种光会被探测器捕捉。 神冈探测器和小柴昌俊证实了戴维斯发现的短缺，而第二个更大的探测器超级神冈探测器以及加拿大的萨德伯里中微子观测站则解释了这一差异。中微子有三种不同的"味"（电子、μ子和τ子），并且可以在它们之间振荡或转换。要做到这一点，中微子必须具有质量，而物理定律当时（现在仍然）无法预测这一点。 更新的中微子探测器延续了宏大目标和惊人结果的传统。位于阿蒙森-斯科特南极站下方的冰立方中微子天文台（https://icecube.wisc.edu/）使用南极冰代替水。它绘制了一幅仅有中微子构成的银河系地图（https://www.quantamagazine.org/a-new-map-of-the-universe-painted-with-cosmic-neutrinos-20230629/），并将这些高能宇宙粒子追溯到由超大质量黑洞驱动的活跃星系。在地中海海底，立方千米中微子望远镜（https://www.km3net.org/）（KM3NET）探测到了有记录以来能量最高的宇宙中微子。其来源仍然未知。 中微子振荡及其引发的无数谜团推动了最新一波探测器的发展。中国的江门地下中微子天文台（https://juno.ihep.cas.cn/）（JUNO）于2025年启动；2026年6月发布的初始数据提供了迄今为止报道的最精确的中微子振荡测量结果（https://www.nature.com/articles/s41586-026-10538-z）。日本的超级神冈探测器（https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/）（Hyper-K）和美国中西部的深层地下中微子实验（https://lbnf-dune.fnal.gov/）（DUNE）预计都将在本十年末开始运行。 由于这些以及其它大胆的实验，泡利确信永远无法被捕获的粒子正慢慢揭示其秘密。七十年来，发现的秘诀从未改变：大胆设想，深入地下，耐心等待。