【中微子炸弹】中微子的旅程

2019-12-28 - 中微子

最近,我与麻省理工学院的同事们运用苏丹矿中的中微子监测数据完成了截至目前量子力学领域最长距离的测试之一。在半个多世纪的时间里,中微子对科学家来说,已经从微弱的陌生粒子变身成为最重要的物质探测工具,可谓从有价值的采石场摇身成为重要的取证工具。在回顾这一转型时,我们看到物理学家们不断探索中微子的奥妙,与核时代的主流研究相得益彰(有时也会被其湮没)。

【中微子炸弹】中微子的旅程
【中微子炸弹】中微子的旅程

法西斯主义在欧洲蔓延,物理学家被吸收进秘密项目。

中微子的发现可追溯到20世纪30年代,当时意大利著名的物理学家恩里克·费米研究出了针对放射性衰变等核现象的第一个可行性理论。为了使他的计算结果成立(实质上是作为一个记录装置来确保所有进入核反应的能量守恒),费米的同事沃尔夫冈·泡利假设有一种全新的、未经发现的粒子将部分能量带走了。费米进一步完善了这一假设并把这种神秘的粒子称为中微子,或“微小中性粒子”,因为理论上它不带电。

【中微子炸弹】中微子的旅程
【中微子炸弹】中微子的旅程

无论是费米还是其他人,在当时都认为无法直接检测到这种微小的物质。不久,法西斯主义在欧洲的蔓延阻碍了这一思想的继续发展。随着各国动员战争,冲突各方的物理学家都被吸收进入秘密项目。与此同时,意大利纳粹组织颁布种族法律,使费米的家庭陷入危险之中(费米的妻子劳拉是犹太人)。

【中微子炸弹】中微子的旅程
【中微子炸弹】中微子的旅程

1938年,他策划了一场《音乐之声》般的逃亡计划,利用赴斯德哥尔摩接受诺贝尔奖之机逃出欧洲并前往美国,在那里,他成为曼哈顿计划早期的科学领袖之一。1942年12月,费米团队在芝加哥成功地使第一个核反应堆进入临界状态,诱发可控核裂变。他们的反应堆在战争期间扩大了规模,用于生产原子弹用钚。

随着战后研究的进行,物理学发生了巨大的变化。历史上最血腥的武装冲突随着原子弹爆炸宣告结束,广岛和长崎深受其害。战争中,在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯市匆匆建成的实验室是曼哈顿计划主要的协调现场。战后,实验室继续专注于改善和扩大美国国家核武库,使得物理学家在西方国家特别是美国获得了新的声望(和资金)。在此背景下,20世纪50年代初,人们见证了在洛斯阿拉莫斯首次认真探测中微子的历史。

在矿井内,科学家悬挂了一台重达1吨的检测器,绰号为“怪物”。

弗雷德里克·莱因斯是洛斯阿拉莫斯实验室的一名年轻物理学家,曾参与在太平洋中部的埃尼威托克岛环礁进行的新武器测试。从1951年春天的一系列炸弹试验中归来后,他和费米展开了对中微子的探讨,费米随后访问了该实验室。莱因斯意识到,他和团队正在埃尼威托克等地进行的地面核爆炸研究应该会产生数量庞大的中微子,而总有一部分中微子是可以被检测到的。

莱因斯和洛斯阿拉莫斯实验室的另一名同事克莱德·考恩说服实验室主任让他们在即将进行的核弹测试中进行试验。他们首先会在炸弹爆炸的地方挖一条狭窄的隧道,在里面悬挂一台重达1吨、绰号为“怪物”的探测器。当核弹爆炸时,炸弹爆炸的巨大冲击波将隆隆地穿过周围地面,精心排列的电子会释放探测器,让它自由下落。

冲击波经过的片刻之后,探测器就会降落在一堆羽毛和泡沫橡胶上。如果把探测器固定在离爆炸很近的地方,冲击波会将其炸碎。

因为埋在矿井底部,探测器会被爆炸形成的火球中包含的中微子淹没。检测器上的敏感电子——一个充满甲苯(油漆稀释剂中常见的一种有机分子)溶液的大桶将监测光线的闪烁。一次闪烁意味着数以百万计的中微子中的一个击中了液体中的物质,并动摇了电子的反物质——正电子。同时,物理学家必须等待几天,直到当地的有害放射性物质完全消失,才能回来挖到井下460米深并取回仪器。

在准备核弹试验的过程中,莱因斯和考恩意识到,他们也可以用一种不那么夸张的方式寻找中微子。通过对实验计划进行修改来排除虚假读数,他们可以在核反应堆旁安装液态填充探测器,而不是在炸弹下面安装探测器。两名研究人员在华盛顿汉福德的某个超大型反应堆附近进行了试点测试,与其相比,费米当年使用的反应堆小到不值一提。

结果令人满意。于是,1955年年底,他们在南卡罗来纳州萨凡纳河的一个更强大的新反应堆上安装了一个改进装置。(萨凡纳河工厂专门生产氢弹用氚,该元素的破坏性是核弹的数千倍。)在数月内,莱因斯和考恩记录下了足够多的微小闪烁,用事实向同事及诺贝尔奖委员会证明他们成功捕捉到了中微子。

费米的前助理布鲁诺·蓬泰科尔沃对该领域的发展表现出了特别的兴趣。20世纪30年代,蓬泰科尔沃在罗马加入费米团队,成为其中最年轻的成员,并得到了“小狗”的昵称。他沉浸于奥妙无穷的核物理研究,包括费米的放射性新理论以及新兴的中微子假设理论。

蓬泰科尔沃来自犹太家庭,在发现意大利没有自己的立足之地后也选择了逃离。他逃离法西斯主义的方式比费米的更富戏剧性,更像是电影《卡萨布兰卡》中的情节,让《音乐之声》中的桥段都显得平淡无奇——他先是逃往巴黎求学,然后在1940年6月的一个夜晚,纳粹坦克开进这座城市之际,从乡下悲惨地逃走。在法国南部,蓬泰科尔沃坐上了前往马德里的火车,最终从里斯本乘船到达纽约。

抵达美国之后,蓬泰科尔沃也参与了曼哈顿计划。他被分配到一个在蒙特利尔工作的英国研究小组,负责完善与位于芝加哥的费米核反应堆类型不同的核反应堆。战后,他在靠近牛津的哈威尔英国核研究机构就职,继续研究反应堆。当时,他提出可以尝试从核反应堆中探测中微子,比莱因斯与考恩的研究思想早了若干年。

西蒙·图切蒂的《蓬泰科尔沃事件》(2012)和弗兰克·克洛斯的《半条命》(2015)记录了蓬泰科尔沃曲折离奇的人生故事。蓬泰科尔沃被认为与费米和罗马学派的其他成员一道发明了减缓某些核粒子速度、提高特定核反应速度的专利技术。这项技术被证明是战时核裂变研究的关键,无论是对反应堆还是对核弹都至关重要。早在1935年和1940年,意大利与美国就分别批准了该专利,然而,到了战后,情况急转直下。

1949年,罗马学派的其他成员要求赔偿他们的专利技术,此时该技术早已被直接纳入美国庞大核设施的基础建设之中。专利争论引发了联邦调查局的调查,并牵连出蓬泰科尔沃的一些亲戚曾被意大利认定为共产党人的历史。几周后,蓬泰科尔沃在哈威尔的同事克劳斯·富克斯承认自己曾在战争期间将原子机密交给苏联人。与蓬泰科尔沃一样,富克斯也是来自欧洲大陆的移民,曾在曼哈顿计划中担任英国代表团成员。由此,事件突然变得扑朔迷离。

接下来的情况听上去简直就是一部勒卡雷的谍影小说。1950年9月初在意大利度假期间,蓬泰科尔沃和家人突然从罗马到达慕尼黑,后经由斯德哥尔摩到达赫尔辛基并在那里与苏联特工接头。蓬泰科尔沃的妻子和年幼的孩子进了一辆车,而蓬泰科尔沃则爬进另一辆车的行李箱中并跟随秘密商队穿过森林到达苏联。

几小时后,一行人抵达列宁格勒并于短短几天内被送往莫斯科,等到英、美当局恍然大悟时已经过去了几周时间。最终,美国国际原子能联合委员会发布了一份关于“苏联原子间谍”的详细报告,宣称蓬泰科尔沃的叛逃行径堪比富克斯事件,甚至比后来被执行死刑的罗森堡夫妇更为恶劣。

耸人听闻的蓬泰科尔沃叛逃事件在英美两国引起了轩然大波,而此时的蓬泰科尔沃本人却在莫斯科的杜布纳核子研究所找到了用武之地。克洛斯在书中提到,根据对蓬泰科尔沃当时的个人笔记进行的审查,蓬泰科尔沃的确曾为苏联秘密核武器项目提供咨询。但很快,他又获得了从事更多基础研究的空间。在研究了莱因斯和考恩的发现之后,他再次将视野落在了他钟爱的中微子上。

面对麦卡锡时代的调查,隐藏流动的、不确定的身份并不是一件容易做到的事。

1957年,蓬泰科尔沃在国际领先的《苏维埃物理学》杂志上发表了一篇文章,提出中微子可以在不同品种或“风味”之间振荡。他在一系列论文中提炼出这个想法,从量子理论推导出中微子并非处于单一的风味状态,而是应该处于两种风味的重叠状态。每当进行测量时,物理学家都只能在一种状态中找到给定的中微子。但是在两次观测之间,中微子不具有固定的身份。它们将生活在一种统计不确定的状态,具有一种风味的同时也具有另一种风味。

在量子世界和人类规则之间似乎有着强烈的对比。当麦卡锡时代的调查人员质询“你现在或是曾经……”这样的问题时,隐藏流动的、不确定的身份并不是一件容易做到的事,不过蓬泰科尔沃本人已经迅速地在几个不同的身份中完成转换——从费米麾下罗马学派年轻的“小狗”摇身成为为克格勃效力的布鲁诺·马克西摩维契·蓬泰科尔沃院士。

蓬泰科尔沃理论的贡献之一是影响了物理学家对太阳的理解。太阳是一个巨大的核反应堆,核物理学的理论对太阳产生的中微子通量做出了非常精确的预测。然而,比莱因斯—考恩实验更敏感的后续实验只发现了太阳中微子预期数量的1/3。

20世纪60年代后期,美苏关系出现缓和,蓬泰科尔沃能够与西方的同事们直接分享他的最新想法。此时,他计算出中微子应该在三种风味之间振荡。如果确实如此,那么只对其中一种风味敏感的太阳中微子探测器应该记录下实验人员不断发现的中微子通量的读数。

多年的数据证实了这种模式并最终说服了怀疑论者。即使如此,太阳—中微子读数仅提供了中微子振荡的间接证据。下一个挑战是设法在行动中捕捉它们。世界各地的研究组织纷纷在地下建立起比莱因斯和考恩的原始设计大数千倍的探测器。

在20世纪90年代末和21世纪初,加拿大安大略省萨德伯里中微子天文台(SNO)的研究者与日本超级神冈探测器研究团队分别积累了令人信服的中微子振荡数据。振荡的存在表明,中微子并非没有质量,这与当时的主流预测恰好相反。

中微子质量的起源和性质仍然是一个重要的探索领域。物理学家还会继续测试自然界中是否只存在三种中微子。一旦中微子的种类超过三种就可以毫无疑问地证明一点:粒子物理学的标准模型——40多年来成功地描述了所有涉及基本粒子实验的理论——是不完整的。

物理学家梶田隆章和亚瑟·麦克唐纳分别作为超级神冈和萨德伯里研究项目的带头人于2015年10月获得诺贝尔奖。三周后,基础物理学年度突破奖为参与项目的近1400名物理学家颁发了300万美元奖金。我的朋友兼麻省理工学院的同事乔·福尔马焦是萨德伯里项目的成员之一,他用部分奖金购买了一瓶上好的葡萄酒,这超出了他日常的消费水平。

中微子的研究似乎比以往任何时候都更加精彩,为超越标准模型提供了诱人的路径。然而,当乔提出可以让中微子以不同的方式工作时,我对这些粒子产生了不同以往的兴趣,那就是测试量子力学的核心原则之一,即最根本的物质理论。

近一个世纪以来,物理学家一直在运用量子力学理论研究原子和原子的组成部分。尽管该理论的预测从未失败过,但量子力学却有许多奇异的特征。例如,20世纪20至30年代,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔认为,根据量子理论,粒子在测量之前的各种性质不具有确定性,就像一个人在上称之前没有确定的重量一样。

此外,量子理论似乎只提供了各种事件的概率,而不同于艾萨克·牛顿引力定律或阿尔伯特·爱因斯坦相对论中给出的坚如磐石的预言。

1935年,费米将注意力转向微小的中微子,并致力在量子理论的框架内理解核反应,而爱因斯坦与同事欧文·薛定谔却做出了量子理论本身值得怀疑的论断。在那年夏天的信件往来中,他们怂恿对方想办法向其他同事证明,即便在一个奇怪的世界里(一个充斥着逻辑与理性的血腥世界),量子理论仍显得非常奇怪。那时候爱因斯坦和薛定谔都逃离了纳粹德国:爱因斯坦在新泽西普林斯顿的绿荫中安了家,而薛定谔移居到牛津,后在都柏林定居。

他们二人的精神交流产生了最著名的物理学思想实验之一——“薛定谔的猫”。假设一个没有窗户的盒子里面有一只猫,一位物理学家事先在猫的身旁放置了一些放射性物质,根据量子理论的概率规律,该物质在既定时间内(比如一个小时)的衰减概率为50%。如果该物质确实衰减了,盒内的探测器将记录该过程并释放锤子,打碎一小瓶氰化物,毒死猫;如果放射源在规定的时间内没有衰减,毒药瓶将保持完好,猫也会继续生存。

薛定谔的挑战可能会让我们有小题大做之感,或者联想到《行尸走肉》中的桥段,但他的目标直指量子理论本身。在物理学家打开盒子观察猫是死是活之前,玻尔心仪的量子理论只能将猫描述为处于叠加状态:活不活,死不死,这是一种混合的僵尸状态,是我们在日常生活中观察不到的混合对立。

薛定谔和爱因斯坦认为这样的结论毫无意义。他们坚持认为,任何合理的物理学理论都应该能够在任何特定时刻准确赋予猫活力值。两位物理学家担心,一味强调叠加是向认识论投降的一种形式,违背了物理学家以精确和预测的方式描述自然的长期目标。

但玻尔仍不为所动。他坚持认为量子理论指出的是世界存在的方式,与人类经验产生的预期完全不同。如果量子理论的方程式具有叠加状态的特征——物质的行为是“亦此亦彼”,而不是“非此即彼”,那么物理学家就需要让自己的思维适应这种怪异特征。叠加被认为是量子行为的标志。

检测中微子特定风味的概率像波一样通过空间和时间传播。

根据量子理论,中微子的风味变化方式十分类似于薛定谔的半死半活的猫,从而使中微子振荡成为探索叠加有效性的有力途径。我的同事乔·福尔马焦意识到,我们可以分析中微子的风味混合如何随粒子的运动而发生变化,最终确定为单一味道(相当于“死”猫或“活”猫的确定性判定)。我和乔与两位优秀的学生——本科生塔利亚·韦斯和研究生米克拉·莫思吉——一道,着手开始研究。

蓬泰科尔沃的中微子振荡理论基于量子叠加的概念,与最新实验数据完美匹配。但是,我们想知道,相同的数据可以与替代理论兼容吗。也许爱因斯坦和薛定谔希望看到的理论是粒子不存在叠加且在每一时刻都具有确定的属性,这样就可以很好地解释数据。

福尔马焦的主要观点是,如果中微子真正受到量子叠加的控制——如果它们通过空间缩放为“亦此亦彼”而不是“非此即彼”,那么在特定位置检测特定风味的可能性的数量应该不同于每个中微子在任何给定时刻拥有一个确定的身份的数量,并且随着时间的推移在不同的身份之间振荡。

虽然我们的分析有点巴洛克风格,但实质上它只是简单的观察。根据量子力学,检测中微子特殊风味的概率像波一样通过空间和时间传播,与一个中微子风味相关的波与另一种风味的波频率稍微不同。对于一个叠加状态的中微子,那些不完全相同的波可能会相互干扰,就像重叠的波在池塘表面相互干扰一样。在中微子旅程的某些位置,每个概率波的波峰会对齐,而在其他位置,一个波峰将与一个波谷彼此抵消。

由此导致了可以直接检测到的效果。当波峰相遇时,发现特定风味的概率上升;在波峰波谷彼此抵消时,这种概率下降。此外,干扰图案——那些波峰与波峰叠加的地方——应该随中微子的能量而改变。另一方面,在缺乏叠加的对立理论中,如那些由爱因斯坦和薛定谔坚持的理论中则不会出现这样的干扰图案。

我们计算出在给定风味中应该检测到的中微子数量的不同模式,因为它们的能量变化取决于中微子是否在叠加态中运行。然后,我们将这些计算结果与主注入器中微子振荡搜寻(MINOS)的数据进行了比较。自2005年起,该实验就从费米实验室向苏丹矿持续发射中微子束。

量子力学的计算结果与主注入器中微子振荡搜寻的数据精确匹配,而与爱因斯坦式的理论数据相去甚远。即使考虑到不确定性和统计的偶然性可能会扭曲实验结果,我们仍发现中微子由爱因斯坦式的物质理论操控且没有叠加的可能性不到十亿分之一。

像叠加这样的量子效应通常只在几十到几百纳米的短距离上表现出来,但我们的测试在735千米范围内证明了确定无误的量子奇异性。这可能仅仅是个开始。世界上充斥着从太阳发出的穿越1.5亿千米的中微子,南极的冰立方中微子天文台进行的尖端实验现在可以监测到原始的中微子,它们从大爆炸开始已经穿越了数十亿光年的空间。

也许像这样的中微子也可以被用来揭示量子叠加的迹象,然后我们可以在浩瀚的宇宙距离中检验量子理论的核心特征。

与此同时,我和我的同事也惊奇地发现,对于量子力学中所有明显的奇异之处,它的预测在人类层面上也是成立的。中微子经历的从费米实验室到苏丹矿的漫长旅途,与蓬泰科尔沃传奇般地从罗马到巴黎再到赫尔辛基直至莫斯科的旅程如出一辙。跨越了如此漫长的距离,我们可以自信地说,我们确实生活在一个奇异的叠加世界。

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