关于τ中微子
发现τ中微子是对自然规律更深的认识
经历20多年的搜寻，由美、日、韩、希腊等国54名科学家组成的国际合作组于7月20日宣布，利用美国费米实验室的加速器，首次发现了能够证明自然界中最捉摸不定、小得令人难以置信的最后一种微小粒子—τ中微子存在的直接证据，这项突破性的成果宣布后在物理学界引起了极大的反响。τ中微子的发现在人类科学发展史上究竟有何重大意义呢？笔者带着有关问题走访了中国科学院高能物理所所长陈和生（以下简称陈）。
笔者：近代物理学研究认为物质的最小构成单位不是原子和分子，而是被称为夸克和轻子的更小粒子，它们的尺寸非常之小（至今还无法判断其大小）。目前已知的夸克有6种，包括下、上、奇异、粲、底和顶，轻子则有6种，包括电子、电子中微子、μ子（缪子）、μ中微子、τ子（陶子）和τ中微子。请问现在这12个基本粒子家族聚齐后，有何意义？
陈：20世纪60—70年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆三位科学家对基本粒子进行了分类，提出粒子物理学的框架是标准模型，其主要内容就是组成所有物质的这12种基本粒子。自1897年，科学家通过实验首先发现了电子，约百年后1995年检测到了第11个基本粒子，到本世纪末发现的最后一个粒子τ中微子，这对于验证粒子物理学基本模型又走出了关键性的一步。
笔者：在已发现的中微子中，τ中微子是第三种，也许是最后一种中微子。前两种中微子—电子中微子和μ中微子—分别是1956年和1963年被发现的。有科学家说，中微子质量之谜的破译将把物理学推向一个新阶段。如此说来，粒子物理学的发展前景将会怎样？
陈：中微子无处不在，以光速飞速运动，由于它不带电荷，与其它粒子只有弱作用。截止到二三年前，人们以为它可能像光子一样没有质量，但之后事情发生了变化。根据日本超级神冈地下实验室的中微子研究结果，科学家开始认为中微子是有质量的。目前根据实验线索表明，这三种中微子很有可能有质量和相互之间发生转换，质量的范围已可预测，但确切的数值尚待于研究；它们之间相互转换，是指其本身具有转变的几率，比如电子中微子有可能会变成μ中微子、μ中微子又可能变成τ中微子，这之间的转换机制正是我们要研究的。这些就是粒子物理学下一步研究的方向之一。
笔者：有科学家说对于中微子的研究可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘，科技日报的许多读者渴望了解研究中微子的科学意义。
陈：宇宙中我们可见的物质占5—10％，而其它90％以上是不发光的暗物质，而中微子则是组成这些暗物质的重要组成部分。尽管它很轻，但是它对于研究宇宙总的质量构成有着重要的贡献。在自然界中，中微子产生于一些星体或星系的反应过程，无时无刻不在穿过地球，所以，对中微子的研究将使人们对宇宙的演化、构成等有着更深的认识。
笔者：因发现τ轻子而荣获诺贝尔奖的物理学奖的马丁·佩尔说，“证实τ子中微子的存在具有里程碑的意义，科学家将有机会获得更多关于其它粒子的认识”，请问此话怎么理解？
陈：这次重大研究发现τ中微子转换成τ轻子，就证明了τ中微子的存在。由此可见它们之间是相互转换的。但在找到粒子家族的全部成员之前，就难以开展此方面的研究。现在科学家们就可以进一步开展对这些粒子的研究。
笔者：请您谈一下我国在粒子物理学方面的研究现状。
陈：长期以来，我国科学家对中微子的研究十分重视，在理论和实验方面做过许多贡献。1992年在北京正负电子对撞机上精确测量出τ轻子的质量，这对τ中微子的研究有重要意义，纠正了在此之前国际上测量结果的重大偏差。现在我们正在积极策划，将选择适当场所，开展有关中微子的试验，以期对粒子物理学能够有更深的探究。
笔者：从某种意义上讲，粒子物理学可谓是对微观世界的探秘，人们谈及它似乎感到有些抽象，认为它与实际生活似乎有些遥远，请问您是怎样看的？
陈：举个例子，100年前，居里夫人发现了原子核的衰变，当时并不知道这将有什么用，而40年后，人们发现它可以应用到很多领域当中，如制造原子弹和发电。若问发现τ中微子会对实际生活有什么直接影响，我的回答是，到目前为止不知道。只能说我们对于自然规律有了更深的认识，在科学发展史的进程中我们人类又前进了一步。发现τ中微子是对自然规律更深的认识□华凌经历20多年的搜寻，由美、日、韩、希腊等国54名科学家组成的国际合作组于7月20日宣布，利用美国费米实验室的加速器，首次发现了能够证明自然界中最捉摸不定、小得令人难以置信的最后一种微小粒子—τ中微子存在的直接证据，这项突破性的成果宣布后在物理学界引起了极大的反响。τ中微子的发现在人类科学发展史上究竟有何重大意义呢？笔者带着有关问题走访了中国科学院高能物理所所长陈和生（以下简称陈）。
笔者：近代物理学研究认为物质的最小构成单位不是原子和分子，而是被称为夸克和轻子的更小粒子，它们的尺寸非常之小（至今还无法判断其大小）。目前已知的夸克有6种，包括下、上、奇异、粲、底和顶，轻子则有6种，包括电子、电子中微子、μ子（缪子）、μ中微子、τ子（陶子）和τ中微子。请问现在这12个基本粒子家族聚齐后，有何意义？
陈：20世纪60—70年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆三位科学家对基本粒子进行了分类，提出粒子物理学的框架是标准模型，其主要内容就是组成所有物质的这12种基本粒子。自1897年，科学家通过实验首先发现了电子，约百年后1995年检测到了第11个基本粒子，到本世纪末发现的最后一个粒子τ中微子，这对于验证粒子物理学基本模型又走出了关键性的一步。
笔者：在已发现的中微子中，τ中微子是第三种，也许是最后一种中微子。前两种中微子—电子中微子和μ中微子—分别是1956年和1963年被发现的。有科学家说，中微子质量之谜的破译将把物理学推向一个新阶段。如此说来，粒子物理学的发展前景将会怎样？
陈：中微子无处不在，以光速飞速运动，由于它不带电荷，与其它粒子只有弱作用。截止到二三年前，人们以为它可能像光子一样没有质量，但之后事情发生了变化。根据日本超级神冈地下实验室的中微子研究结果，科学家开始认为中微子是有质量的。目前根据实验线索表明，这三种中微子很有可能有质量和相互之间发生转换，质量的范围已可预测，但确切的数值尚待于研究；它们之间相互转换，是指其本身具有转变的几率，比如电子中微子有可能会变成μ中微子、μ中微子又可能变成τ中微子，这之间的转换机制正是我们要研究的。这些就是粒子物理学下一步研究的方向之一。
笔者：有科学家说对于中微子的研究可以揭示宇宙质量及浩瀚太空中各种星体的许多奥秘，科技日报的许多读者渴望了解研究中微子的科学意义。
陈：宇宙中我们可见的物质占5—10％，而其它90％以上是不发光的暗物质，而中微子则是组成这些暗物质的重要组成部分。尽管它很轻，但是它对于研究宇宙总的质量构成有着重要的贡献。在自然界中，中微子产生于一些星体或星系的反应过程，无时无刻不在穿过地球，所以，对中微子的研究将使人们对宇宙的演化、构成等有着更深的认识。
笔者：因发现τ轻子而荣获诺贝尔奖的物理学奖的马丁·佩尔说，“证实τ子中微子的存在具有里程碑的意义，科学家将有机会获得更多关于其它粒子的认识”，请问此话怎么理解？
陈：这次重大研究发现τ中微子转换成τ轻子，就证明了τ中微子的存在。由此可见它们之间是相互转换的。但在找到粒子家族的全部成员之前，就难以开展此方面的研究。现在科学家们就可以进一步开展对这些粒子的研究。
笔者：请您谈一下我国在粒子物理学方面的研究现状。
陈：长期以来，我国科学家对中微子的研究十分重视，在理论和实验方面做过许多贡献。1992年在北京正负电子对撞机上精确测量出τ轻子的质量，这对τ中微子的研究有重要意义，纠正了在此之前国际上测量结果的重大偏差。现在我们正在积极策划，将选择适当场所，开展有关中微子的试验，以期对粒子物理学能够有更深的探究。
笔者：从某种意义上讲，粒子物理学可谓是对微观世界的探秘，人们谈及它似乎感到有些抽象，认为它与实际生活似乎有些遥远，请问您是怎样看的？
陈：举个例子，100年前，居里夫人发现了原子核的衰变，当时并不知道这将有什么用，而40年后，人们发现它可以应用到很多领域当中，如制造原子弹和发电。若问发现τ中微子会对实际生活有什么直接影响，我的回答是，到目前为止不知道。只能说我们对于自然规律有了更深的认识，在科学发展史的进程中我们人类又前进了一步。
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检测出τ中微子
早在25年以前，物理学家们就认为宇宙中的一切物质均已获得合理解释。在物理学家所说的“标准模型”中，亚原子粒子被区分为4个家族，每个家族有3代成员，但作为“孙子辈”之一的τ中微子却仿佛消失了一般，哪儿也找不到它的踪影。
去年7月，一个国际性科学家小组总算诱使τ中微子离开藏身之地露面了。该研究组采取“武力”与精心分析相结合的办法：先使一叠摄影感光板受到数以百万计中微子的轰击，再把胶片送到日本去做分析。在这里，每个感光板皆接受数字式扫描，而整叠感光板则通过电子技术复原。于是科学家便能制作一幅立体道路图，它显示出每个粒子在穿越这叠感光板时所经过的路线。结果，积累了3年的研究资料表明仅有4个τ中微子被检测出来。
这一发现为将来利用τ中微子进行研究提供了机会。尤其需要的是能使研究人员得以精确探索中微子具有质量的可能性—一旦获得肯定结果，就会导致“标准模型”受到怀疑。可以说，τ中微子的发现非但没有促成粒子家族的“大团圆”，反倒使它分崩离析了。
用相对论性重离子探索亚原子之谜
去年在布鲁克黑文国家实验室里试验成功的相对论性重离子Collider，眼下正被用来探查亚原子的秘密，它以接近于光的速度（光速的99.995%）不间断地分裂金离子。这一过程导致质子和中子解体，形成称之为夸克－胶子等离子体的粒子混合物。这种物质状态如此罕见，它只在“创世大爆炸”后存在了1微秒左右。（参见本刊2000年8月号12页《实验室烹出“混沌汤”》一文）
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