這就相當于你拿著一個漏勺，
把整個太平洋的水都往瓶子里倒，
但瓶子底部卻有個大洞，
最后你只留下了一滴水。
丁雪峰· 中國科學院高能物理研究所特聘青年研究員
大家好，我是來自中國科學院高能物理研究所的丁雪峰，今天我演講的題目叫作《幽靈粒子的前世今生》，那么這個幽靈粒子是什么呢？其實就是中微子，因為中微子的特殊的屬性，科學家們就給它起個外號，叫“幽靈粒子”。
最近，大家可能看到了一些關(guān)于中微子的新聞。比如這是央視新聞的一篇報道，里面說我國馬上要建成一個亞洲最大的有機玻璃球結(jié)構(gòu)。等這個球型結(jié)構(gòu)建成后，我們就可以用它來抓捕中微子。
中微子聽起來好像離我們的生活非常遙遠。但是其實，我們每天走在路上時，每秒鐘大概有10到20次方個中微子穿過我們的身體。這些中微子有可能來自太陽，也有可能來自宇宙誕生的初期，當然還有其他各種來源，其中這兩個是最主要的。
那么，中微子到底是什么呢？要介紹清楚這個，我們就得稍微挖得深一點了。我們所處的物質(zhì)世界，如果把它不斷放大來看，比如把人體放大，能看到細胞；再進一步放大，細胞里有分子；再放大，就會發(fā)現(xiàn)所有的物質(zhì)都是由看不見摸不著的原子構(gòu)成。而當我們把原子繼續(xù)放大，又會發(fā)現(xiàn)原子包括中心的原子核和核外電子。原子核里面，還有更小的質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子里又有夸克。到夸克這個層次，就是目前所有人類科學家能夠理解到的組成物質(zhì)世界的最小基本單元了。
大家看上面這張表，它總結(jié)了現(xiàn)在科學家所認知的所有構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子。中微子就是這些構(gòu)成物質(zhì)世界的“基本小積木”的一類，它是一種基本粒子。
中微子的“隱身術(shù)”
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那么，為什么中微子會被叫做“幽靈粒子”呢？在做科學研究時，大家要記住一點，不管學數(shù)學、物理，或者其他學科，一定要有圖像感。因為人類大腦的特性就是喜歡圖片思維，學東西時，如果能想象出相關(guān)畫面，就會學得更快、記得更牢。
就“幽靈粒子”這個稱呼而言，我們不妨想象這樣一個場景：假設(shè)有一個臺燈或者手電筒，這是我在家里拍的一張照片，我把一件薄衣服蓋在臺燈上，大家能看見什么呢？臺燈的光透過了白色襯衫透了出來，我們還是可以看見臺燈的光，對不對？但是，如果我換上一件很厚的毛衣蓋上去，透出的光就會變少。如果我繼續(xù)蓋上更多衣服，最后臺燈的光就會被徹底蓋住。
現(xiàn)在，我們把臺燈想象成能發(fā)射中微子的“中微子臺燈”，又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？這個“中微子臺燈”放出的中微子，有非常強的穿透力。你得用整個銀河系那么厚的“衣服”，才有可能攔住它發(fā)出的中微子。
既然中微子有這么神奇的特點，幾乎什么都攔不住它。那么，科學家們想出了什么辦法去捕捉這么容易逃脫的中微子呢？
其實，科學家們用了一種看似簡單的方法，通俗地講，就叫“大力出奇跡”，換個說法也就是“海底撈針”。具體而言，就是用極其大量的中微子進行“強攻”，只要能抓到其中極少的一點點就夠了。
所以，科學家在抓捕中微子的時候，效率非常低，平均每100萬億億億個中微子才能抓到一個，這里有三個“億”。相當于什么呢？就相當于你拿著一個漏勺，把整個太平洋的水都往瓶子里倒，但瓶子底部卻有個大洞，最后你只留下了一滴水。所以，大家便可以想象這件事情的難度之大了。
幽靈粒子是如何被發(fā)現(xiàn)的？
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抓捕中微子如此困難，科學家們做這項工作可謂障礙重重。那么，最開始我們是怎么發(fā)現(xiàn)它的呢？這背后的故事也很神奇。
比如說兩人玩撲克牌，一副牌有54張，你手中有20張，那另一個人手上自然就該有34張。同樣，比如玩積木，已知積木一共有100塊，盒子里有70塊，按常理地上就應(yīng)該有30塊?？扇绻厣现挥?9塊，那意味著什么呢？說明有一塊可能掉到某個角落里了，又或者被小朋友帶回家了，總之就是缺了一塊。
▲能量丟失問題
1911年，科學家們就碰到了類似情況。右邊這張圖展示的是查德威克當時做的實驗，橫坐標代表測量的“能量”，這個“能量”有點像積木的數(shù)量。紅線表示理論上應(yīng)該有的能量值，但是，實際實驗測量得到的藍線卻顯示，測量值比理論值要少，就好像有些能量“消失”不見了。
這一現(xiàn)象當時可把物理學家們給難住了，他們一度懷疑是不是實驗出了問題，于是不斷改進實驗裝置。但最后發(fā)現(xiàn)，能量確實就是少了。大家為此苦惱不已。
▲泡利（Wolfgang Pauli）
就在這時，泡利寫了一封信，他說：“這可能有鬼了，有一個幽靈粒子把我們丟的那部分能量給帶走了?！?/p>
他提出這個說法的時候，大家都覺得非常沮喪，心想怎么能提出這種想法呢。但現(xiàn)在，我們都知道這個所謂的“幽靈粒子”——中微子，真的被我們發(fā)現(xiàn)了。
為什么要研究中微子？
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那么，我們?yōu)槭裁匆芯恐形⒆幽?？不知道有沒有朋友聽說過反物質(zhì)這個東西?？赡茉谝恍┛苹闷飼岬?a class="keyword-search" >反物質(zhì)，比如“反物質(zhì)湮滅光線”，其實這個概念與現(xiàn)實中的反物質(zhì)特性非常貼切。
反物質(zhì)最大的特點就是可以湮滅正物質(zhì)。假如你有一個反物質(zhì)的球，當它與一個正物質(zhì)的球接觸，這兩個球就會徹徹底底地消失，完全湮滅掉，什么都不會剩下。所以，如果正反物質(zhì)數(shù)量一樣多，它們一旦碰到一起，就會啥也不剩。
現(xiàn)在科學家普遍認為，宇宙誕生于一場大爆炸。在大爆炸發(fā)生的時候，產(chǎn)生的正物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量應(yīng)該是一樣的。按照反物質(zhì)與正物質(zhì)相遇會相互湮滅的特性，如果正、反物質(zhì)數(shù)量一樣多，它們相互碰撞后應(yīng)該就什么都不會剩下了。但是，我們現(xiàn)在能夠站在這，這說明在正反物質(zhì)湮滅以后，最后還是有一部分物質(zhì)留存了下來。
為什么會多出來這部分物質(zhì)？此個問題比較難，我們先放放。大家只需要記住一點：對中微子展開研究，可能能夠幫助我們解釋為什么在宇宙誕生的大爆炸時刻，一樣多的正物質(zhì)和反物質(zhì)湮滅后，還能剩下這么少量的物質(zhì)，于是形成了我們現(xiàn)在所處的物質(zhì)宇宙。
科學家的捕獲工具
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現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了為什么要研究中微子，那接下來我就給大家講一講科學家是怎么樣去“抓捕”中微子這個“幽靈”的。
抓捕中微子的方法有很多，在這我們以正在開展的江門中微子為例。
我們在地底下建造了一個很大的球。大家看這張圖片，圖片中央的球形結(jié)構(gòu)由很多鋼架組成，鋼架環(huán)繞著一個全世界最大的有機玻璃球。這個有機玻璃球直徑達35米，大家可以想象一下，差不多有10層樓那么高。從照片里可以看到一些工人，他們看上去就像螞蟻一樣小，由此可見這個球有多么龐大。
然后，我們會把這個球放在一個圓柱形的罐子里。這張照片是用魚眼鏡頭拍的，所以有點變形。但仔細看，外面那一圈其實是個圓柱形的桶。等到做實驗的時候，我們會在這個桶里灌滿水，而中間的玻璃球內(nèi)則會灌入一種特殊的油，并且在油里添加一些東西。
那這個裝滿油的大玻璃球放在哪里呢？這是在廣東省江門市拍的一張照片，大家看到這里青山綠水環(huán)繞。我們在某個特定地點朝著地下打了一個深達700米的洞，然后把這個球放在地下700米處。
可能有人會問，為什么要埋得這么深呢？其實道理很簡單。就比如你跟好朋友聊天，如果是在一個很吵的地方，是不是很難聽清他說話？那怎么辦呢？我們肯定會找一個安靜的地方，這樣交流起來就能聽得清楚。
我們這個實驗也是一樣，如果放在地面上，干擾太多，就像環(huán)境太吵一樣，有非常多的噪聲，會嚴重影響實驗觀測，讓我們無法捕捉到想要的東西。所以，我們要把實驗裝置安置到地下，這里比較安靜。
現(xiàn)在，咱們一起來想象一下：在地下700米那么深的地方，有一個很大的球。這個時候，你眼前會是什么樣的景象呢？肯定是漆黑一片，什么都看不見，畢竟是在深深的地下。
而當中微子到達我們的探測器時，大多數(shù)中微子會直接穿過去，只有非常非常少數(shù)的中微子，像打臺球一樣撞到了一個東西。而撞上之后，就會讓我們裝在玻璃球里的這種神奇液體發(fā)光。想象一下，原本黑色的罐子里面，突然“啪”地一下閃過一道光。
我們在罐子的周圍放了很多裝置，也就是圖上這些黃色的點，我們叫它“黃金瞳”。這個“黃金瞳”非常厲害，它能夠捕捉到里面閃現(xiàn)的光。所以我們做的這個實驗，其實就是在做一件很簡單的事——數(shù)這個光閃了多少下。
做這個實驗，有兩個關(guān)鍵“秘密武器”。第一個就是會發(fā)光的液體。我們實驗所用的這種發(fā)光液體，它的基底叫作L.A.B，也就是線性烷基苯。這東西大家肯定不陌生，每天用的洗手液或者肥皂的原材料里就有它。另外，我們還得往這種液體里添加一點點特殊的發(fā)光染料。這樣的話，當中微子撞擊產(chǎn)生的東西就能讓含有發(fā)光染料的液體閃光。
第二個“秘密武器”就是這個“黃金瞳”，就相當于我們的眼睛。他的科學名字叫作光電倍增管。
在我們江門中微子實驗里，一部分光電倍增管是和國內(nèi)的北方夜視合作生產(chǎn)的。北方夜視聽名字就知道，他們會生產(chǎn)夜視儀。大家在電影里可能都見過，夜視儀可以讓你在夜晚看清東西。我們的“黃金瞳”也就是光電倍增管對光線非常敏感，哪怕是非常非常弱的光它也能捕捉到。所以，我們在探測器上大量使用了這樣的“黃金瞳”。當中微子在液體中引發(fā)閃光的那一下，這雙“眼睛”就能捕捉到那一道閃光。
靈感與合作的力量
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接下來，我想講講我跟中微子之間的故事。
大家也看到了，中微子探測儀器非常大，光是那個有機玻璃球就直徑35米。如此浩大的工程，僅靠我一個人是絕對無法完成的。實際上，我們這個領(lǐng)域有個顯著特點，每次做項目，都需要幾百人甚至上千人一起做。所以，雖說這里要講的是我和中微子的故事，但這背后缺不了我的同事、導師，還有當時參與的工程師們等很多科學家的傾力合作，才得到了現(xiàn)在的結(jié)果。我在其中只是貢獻了一份微薄之力。
我的第一個故事還得追溯到十年前。那時，我還是一名研二的學生，剛剛加入這個項目。老師給我布置了一個課題，前面說到我們做這個實驗需要可以捕捉非常弱的光的“眼睛”——光電倍增管。大家是不是很容易想到，“眼睛”塞得越多，觀測效果就會越好？
所以，我接的第一個課題就是：怎么在球的內(nèi)表面盡可能多地安裝光電倍增管。因為如果只是沿著水平方向排布，是不是赤道那一圈排列得會更密，而南北兩極相對稀，孔洞也會更大一點？
當時有好幾個人都在研究這個問題。有一次，我在打排球的時候突然靈機一動：排球的6個面像鼓起的腹部一樣，可以排列得比較密。
想到這兒，我馬上回家寫了一段代碼，目的是讓光電倍增管按排球表面的排列方式進行布局。當時覺得挺有意思，在打球的時候獲得了這樣的靈感，然后馬上回家洗了個澡，就開始寫代碼了。
當然，在科學研究中，光考慮數(shù)學層面行不行得通是遠遠不夠的，還要考慮工程安裝方面的問題。所以，最后我提出的這個方案并沒有被采用，主要因為安裝難度較大。
這是我們最終實物呈現(xiàn)的效果。在這張圖上方密密麻麻的部分就是我們安裝的“黃金瞳”——光電倍增管，如同眼睛一般，大家可以看到它們排得非常密。圖片下面是我的老師正在檢查儀器的運行狀態(tài)。
我做的另一項工作，跟玻璃球里面這種神奇的液體有關(guān)。我的同事們此前研究過，往這種液體里加不同的染料，它會發(fā)出不同顏色的光。而且加不同染料后，還要跟我們的“眼睛”——光電倍增管相適配。就比如說人類的眼睛對綠色光最敏感，而我們的“黃金瞳”光電倍增管對波長420納米的藍紫色光最敏感。
我所做的事情，就是研究同事選取的這種染料的發(fā)光效率。這里面的門道可不少，染料加得太多，液體會變得渾濁；加得太少，發(fā)出的光又不夠。所以這里存在優(yōu)化的空間，即探究到底加多少染料最合適。
現(xiàn)在我回到研究所后，發(fā)現(xiàn)我們在研究中用了很多既有趣又先進的技術(shù)，機器學習就是其中之一。我現(xiàn)在有個學生正在用圖片中顯示的VGG模型，這是一種機器學習網(wǎng)絡(luò)。
VGG模型有獨特的功能，當給它輸入一張圖片時，它可以從中學習并提取相關(guān)信息。我們將探測器中“眼睛”所看到的原始光子數(shù)“喂”進去，然后通過模型，就可以重建中微子進入時的方向等信息。通過這樣的先進技術(shù)，我們能夠更深入地研究中微子的特性和行為。
如果大家感興趣，歡迎加入我們的項目。
中微子之謎還在繼續(xù)
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接下來，我想講一點項目中稍微難一點的部分，大家可以嘗試理解，看看能不能跟上思路。
我先唱一小段，大家可以猜猜看，這首歌你們有沒有聽過。
我剛剛唱了一首歌，大家能聽出我唱了什么，也能感知到音高和響度，還可以聽出是我在唱，而不是鋼琴在唱，這是為什么呢？聲音本質(zhì)上是空氣的振動，你之所以能區(qū)分人聲與鋼琴聲，靠的是不同的音色。事實上，聲音傳播時，這種振動它以波的形式存在，從不同的波形你就能聽出不同的聲音。
結(jié)合前面說的，學新東西時要有畫面感。現(xiàn)在，讓我們把中微子想象成喇叭發(fā)出的聲音。不同的中微子就像喇叭發(fā)出具有不同音色的聲音，有的像鋼琴聲，有的像人聲?？茖W家要研究的問題之一，就是中微子到底像什么聲音。
右邊的圖展示的是中微子的一種現(xiàn)象——中微子振蕩，大家可以看它的波形有什么特點。這里有一個明顯的大波紋一上一下起伏，仔細看，大波紋上還疊加著小波紋。當時，科學家們第一件任務(wù)就是看見這個小波紋，這非常重要。
除中國外，法國、日本、韓國等幾個國家都在做相關(guān)研究。但由于他們做實驗較早，沒能看見小波紋。而中國盡管做得稍晚，不過探測器優(yōu)化得好，還有當時全世界最大的反應(yīng)堆集群。我們做一年實驗，相當于別國做20年，所以一下超過了他們。到現(xiàn)在，在看小波紋幅度方面，中國依然是全世界最好的，這值得我們驕傲。
除了看小波紋，還有一個研究重點。大家看，這個波形有藍色和紅色兩種，它們小波紋相對于大波紋的位置不一樣。到底是紅色波形還是藍色波形，這是我們要回答的另一個問題。
我可以將中微子的研究總結(jié)成A、B、C三個步驟。A步驟是上個10年我們所做的事情，就是看中微子振蕩波形上的小波紋。當前這10年，我們的研究重點是確定波形到底是藍色還是紅色。下一個20年，我們要測量一個叫δCP的東西。再下個20年，也許到那時，我們就可以回答宇宙起源是什么，而那時也將是屬于你們的時代。
如果大家將來對科學有興趣，希望有一天我們還會再次相遇。
謝謝！
來源：格致論道講壇
編輯：小咕咕
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不代表中科院物理所立場
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