位于北京石景山区玉泉路的中国科学院高能物理研究所，与中国科学院大学共享一个院子。这里看上去十分安静，整洁，有一种象牙塔的感觉。

      蝌蚪君在主楼见到中微子专家，亚太物理学会杨振宁奖得主曹俊研究员的时候，他刚刚送走了来中国做学术报告的一位美国客人。这个美国客人是美国物理学会的前任主席，引力波探测项目LIGO以前的负责人。

      蝌蚪君对曹俊的独家专访就紧锣密鼓地开始了，采访问题主要集中在中微子物理的相关领域。
      中微子，不是电磁波，它是一种不带电的，可以轻易穿过地球的小粒子，它在飞行过程中还会不断变身——犹如川剧的“变脸”，在物理学的术语里，这被称为中微子振荡。

      这么高冷的概念，在大众文化圈属于冷门，于是我们的话题从最近流行的科幻小说《三体》谈起。

      《三体》中的中微子通讯可以实现吗？

      曹俊老师告诉蝌蚪君，他也看过《三体》这部科幻小说，书中提到用中微子或者引力波来进行通讯是未来世界的两大通讯技术。

      “我刚才就问了那个美国物理学家，他以前在加州理工大学做引力波探测的（这位美国物理学家是电影《星际穿越》的学术编剧基普.索恩的同事，后者也是研究引力波探测的），我问他象《三体》中描述的引力波通讯的难度到底有多大？对方干脆利落地回答：不行。”曹俊说。

      “是的，需要恒星级别的能量来发射引力波！”蝌蚪君说，“那么换个话题，假设马航的飞机掉进了太平洋，如果它能发射中微子的话，我们在全球各地的中微子探测器都能接受到马航失踪的飞机从海底发出来的中微子，那么我们是不是能够定位这架失踪的飞机？”

      “科幻上来说，这是可以的，但在现实中也很困难，因为飞机上不可能有那么强的中微子源，现在的中微子源一般是由核反应堆，太阳这样的恒星，超新星或者高能宇宙射线产生的，在飞机上都不太可能实现这样大能量的中微子源。”曹俊说。

      “我看过您写的科普文章，介绍说美国的费米实验室曾经做过短距离的中微子通讯实验。他们是如何调制信号的？”蝌蚪君追问道。

      “他们是用高能的质子束打靶，这个过程能产生中微子。因为质子束流是带电的，容易被控制，可以开启与关闭，这样就可以控制中微子的发射与中止。”曹俊解释道。

      “也相当于2进制的编码，开关信号？”蝌蚪君说。

      “是的！”曹俊说。

      因此，可以看出，要实现《三体》中的中微子通讯，最小规模的中微子源可能就是需要一台高能加速器。

      中微子几乎与光跑的一样快，但它是有质量的

      日本物理学家小柴昌俊因为在1987年探测到16万光年之外的“礼物”——超新星发射的中微子而获得2002年的诺贝尔物理奖。超新星中微子是一种类似“天外飞仙”的罕见事物，在人类短暂的历史上只能守株待兔地等待它的爆发，这有点靠天吃饭的感觉。所以，很多国家都在研究由核电站或者高能加速器所产生的中微子。对中微子的研究已经把物理学带进了一个新的领域，这个新领域与传统的光与电的世界已经很不相同——中微子物理具有强烈的相对论与量子力学的色彩。最近科学上的大新闻之一是曾有意大利科学家宣布中微子是超光速的（后来才发现是实验出错了）。那么，中微子到底是不是以光速运动呢？

      曹俊介绍说，当年小柴昌俊他们的研究组在日本神冈的实验也没有测出中微子的速度与光速到底有多少差别。在16万光年的距离上，超新星发出的中微子与光子几乎是同时到达地球的，这说明中微子的速度很接近光速。这个超新星发出的中微子比光反而还早到3小时，不过这是因为超新星爆发时先发出中微子，然后才点燃整个星体，发出光信号。根据狭义相对论，一个无质量的粒子可以跑得与光一样快，所以，从与光速的比较上来看，中微子的质量如果不是零的话，也应该是非常非常接近于零的——至少在16万光年的距离上，我们是分辨不出它的速度到底与光速差多少。

      “可是，小柴昌俊后来领导的超级神冈的中微子实验发现了太阳中微子是振荡的，这等价于说中微子是有质量的？”蝌蚪君问道。

      “是的，根据量子力学，3种不同类型的中微子相互转化，这说明中微子有质量。但这个质量很小，所以中微子还是以非常接近光速的速度运动。”曹俊说。

      中微子的质量与李政道杨振宁的关系

      在半个多世纪以前，1956年，来自中国的年轻物理学家李政道与杨振宁检查了大量的实验结果后，提出了一个大胆的设想，这个设想表明在与放射性衰变相关的微观世界，左与右是不对称的。在同年，由女物理学家吴健雄组织的物理实验证实了李杨的猜想：在有中微子产生出来的场合，左右是不对称的。1957年，李政道与杨振宁得到了诺贝尔物理学奖。

      “那既然中微子有质量，总可以找到一个比它的速度更快的参考系，在这个参考系里看，中微子是反向运动的，它的螺旋度也就反向了？因此存在右手的中微子？”蝌蚪君问。

      “是的！”曹俊说。

      “那这与李政道与杨振宁当年关于右手中微子是不存在的结论是矛盾的？”蝌蚪君好奇地问。

      “李政道与杨振宁当年只是说左手中微子和右手中微子可以不一样多，但没有说右手中微子是不存在的。当然，后来他们又做了一个理论，说右手中微子不存在。”曹俊解释道。

      大亚湾中微子实验已经取得重要成果

      曹俊自2003底开始从事大亚湾反应堆中微子实验研究，先后负责物理与软件系统和中心探测器的概念设计与工程设计，2013年起担任大亚湾实验的负责人，按国际惯例，叫“发言人”。2012年3 月，时任大亚湾发言人的高能所所长王贻芳代表大亚湾国际合作组公布了中微子的θ13的数值，这是在中国本土首次测到的基本物理学参数。当天，诺贝尔奖得主李政道发来贺电，称“这是物理学一个有基础重要性的成就”。

      中微子分为3种，分别是电子中微子，缪子中微子与陶子中微子。它们在飞行过程中会不断地相互转化，θ13就是刻画这种“变脸”的概率。这一数据很小，但在大亚湾中微子实验中被精确测定。

      “与韩国等国的中微子实验相比，大亚湾实验，除了反应堆的功率比它们大，周围山体对宇宙射线的屏蔽比较好，还有什么有利因素促使大亚湾实验的成功？”蝌蚪君问。

      “除了你方才提到的两个因素，还有就是我们实验设计上就比他们精密。另外跟国际声望也有关系，韩国一直没有争取到国际合作者，大亚湾拿到了美国能源部等的资金，我们的人才也更多一些，一共有200多人参与了这个项目，韩国团队总共才30多人。”曹俊说。

      江门中微子实验也在广东省建设

      江门中微子实验（JUNO）2015年1月10日在广东省江门市举行了建设启动仪式，已经完成前期的征地工作，准备挖掘隧道到地下700米深处。这一中微子探测地点离阳江核电站与台山核电站的距离都是53公里（这个距离是通过振荡几率可以算出来的，是反应堆中微子振荡最大的一个地点），所以构成了一个等腰三角形。整个项目投资约为20亿元。

      江门中微子的物理目标之一是测量出3种中微子的质量顺序，通俗地说，就好像是有3个蚊子，体重谁轻谁重，想要用物理实验测出来。

      “希格斯机制能赋予中微子质量吗？”蝌蚪君问。

      “可以啊。”曹俊说。

      “那这个机制不能预测3种中微子的质量大小？”蝌蚪君懵懂地问。

      “不能。在粒子物理中所有粒子的质量在理论上都是自由参数。”曹俊说。

      “探测中微子用的光电倍增管是这个项目的核心硬件技术吧？”蝌蚪君问。

      “是的。我们用的中微子是从核反应堆里出来的，它打到液体闪烁体上，液体闪烁体会发光，我们就用光电倍增管探测这个光。目前我们也正在与一些企业合作设计开发这种大型的光电倍增管。我们提供了概念设计，自己拥有这个发明专利。”曹俊说。

      “你们用的液体闪烁体是一种带有苯环的有机物？”蝌蚪君问。

      “是的，有些实验用纯水，靠的是中微子打到水里产生的切伦科夫光，我们用这个有机物，靠的是有机物分子能级的激发，是荧光的发射。”曹俊解释道。

      江门中微子实验的远景

      江门中微子实验预期在2020年开始采集核电站反应堆的中微子数据进行物理分析。因为现在还没有采集到数据，所以未来会发现什么新的物理还没有定论。

      “如果测出了这3种中微子的质量顺序，或者万一测到了第4种中微子，那是不是可以得诺贝尔奖？”蝌蚪君问得有点陷入了俗套。

      “我们目前意料中的实验结果，应该都不太可能得诺贝尔奖。你也知道，所有诺贝尔奖都是出人意料的，都是不可预测的——所以才产生了新的物理。你看小柴昌俊的实验，本来是想要测质子衰变的，结果却测到了超新星爆发的中微子，这就是当时谁也没有预料到的，所以得了诺贝尔奖。”曹俊说。

      采访接近尾声，曹俊告诉蝌蚪君，做中微子的物理实验目前主要是为了解释一些基础的物理问题；同时中微子也可以告诉我们地球内部的放射性元素衰变数量，从而判定地球内部的演化模型；也可以告诉我们恒星以及遥远的超新星内部的物理规律；而且因为中微子在宇宙中象光子一样多，如果知道了它的质量，就可以估计出宇宙中中微子的总质量，也可以评估它对宇宙演化的作用。蝌蚪君很关心中微子的现实应用，作为严谨的科学家的曹俊也开始畅想起来，他说：“也许以后海底的核潜艇可以发射出定向的中微子束流，来与地面指挥部进行通讯，不过要等加速器技术有革命性突破以后才有可能。”

      让我们期待江门中微子实验在大亚湾中微子实验的基础上再次取得新的圆满成功，在科学上与现实中都带来一场新革命！


来源： 蝌蚪五线谱