2025年8月26日，江門中微子實驗正式運行，這個位于地下700米處的大科學裝置肩負著深入探索中微子性質的重任。自從著名物理學家泡利從理論上論證中微子的存在以來，人類對這種奇異粒子的研究已經經歷了近百年的歷程。牛津大學教授弗蘭克·克洛斯在《中微子》一書中就以太陽中微子及其主要研究者戴維斯、彭蒂科沃和巴考爾為主線，帶領讀者回顧了物理學家對太陽中微子、大氣中微子、河外中微子、中微子振蕩等問題的研究。

1987年，一次發生在銀河系外的超新星爆發徹底改變了我們認識宇宙的進程。超新星爆發是最絢麗的“宇宙煙花”，而通過以下克洛斯的文字我們就會知道，不可見的中微子才攜帶了超新星爆發的絕大部分能量。物理學家們也足夠好運，用剛剛建成的中微子探測器就記錄到了這次百年不遇的壯觀事件。

1987年2月23日格林尼治時間7點30分，你在哪里呢？當時我在吃早餐，渾然不覺有一束中微子穿過了我的玉米片。雖然我們始終沐浴在太陽中微子的洪流中，但那個二月的清晨突然襲來的中微子卻截然不同。這是來自17萬光年外的大麥哲倫云（LMC），南半球可見的銀河系伴星系中垂死恒星的強烈爆發。天體物理學家25年多來始終認為，超新星的引力塌縮會產生大量的中微子。實際上他們指出，超新星標志性的炫目閃光，那種能短暫照亮整個星系的傳統天文現象只是這場宇宙戲劇的次要部分。盡管電磁輻射的強度驚人，但所有可見光、射電、X射線以及伽馬射線能量的總和還不到總釋放量的1%。超新星輻射的絕大部分能量，其實是通過中微子攜帶釋放的。

▲多臺觀測設備在不同波段拍攝的1987年爆發的超新星SN 1987A的遺跡

過去，這些中微子是不可見的，但如今有了中微子望遠鏡就不同了。令人振奮的是，我們首次探測到了來自銀河系外的中微子，并驗證了超新星理論的正確性：當恒星塌縮時，它們會以中微子的形式釋放能量，總量高達1059個中微子瞬間迸發。

能夠探測到這顆超新星釋放的中微子本身就是一個幸運的巧合，絕對不是人為刻意安排的結果。人類肉眼可見的上一次超新星爆發還要追溯到1604年，這之后三個多世紀都未曾觀測到新的超新星，直到1987年這顆超新星的突然爆發。

實際上，這場劇烈的爆發事件真正發生在17萬年前的大麥哲倫云中。一束強光與中微子沖擊波從殘骸中迸發而出。它們以每分鐘1600萬公里的速度急速逃離爆發現場，穿越麥哲倫云，在星系空間中呼嘯前行，那個時候距離它們命中注定的1987年之約，還有漫漫星海有待跨越。

在它們前方橫亙著銀河系，其中的一條旋臂上，小小的地球行星已演進至石器時期。這個輻射殼層持續擴散了16.5萬年。當它行進到距離地球3000光年時，地中海沿岸的先民正開始仰望星空，孕育著科學的萌芽。至二十世紀三十年代，他們的后裔逐漸意識到放射性衰變可能產生中微子，但當時學界普遍質疑人類是否真能捕捉到這種幽靈粒子。

與此同時，塌縮恒星爆發的中微子浪潮正穿越南天星域向地球逼近。當克萊德·柯溫與弗萊德·萊恩斯以精妙實驗證實了中微子存在時，這束粒子波尚距地球31光年。待到雷·戴維斯在霍姆斯特克礦井地下實驗室啟動太陽中微子探測器時，爆發波仍然遠在23光年之外。這個裝置雖然能捕捉太陽中微子，卻幾乎無法探測超新星爆發產生的粒子洪流。然而當這束奔涌的中微子僅剩一光年航程，即僅為其17萬年星際穿越之旅的最后百萬分之六的距離時，美日科學家恰好完成了地下巨型純凈水罐的建造，而這些裝置原本是設計用于探測質子衰變跡象的。

日本神岡探測器作為超級神岡（SuperK）的前身，內部裝有3000噸高純度水。與此同時，在大西洋彼岸的俄亥俄州伊利湖湖床下方600米深處，由加州大學爾灣分校、密歇根大學與布魯克海文國家實驗室組成的IMB合作組，也在一座蓄有7000噸水的巨型水箱中尋找質子衰變跡象。

▲日本超級神岡探測器

雖然沒能捕捉到質子衰變的蛛絲馬跡，這兩項實驗卻意外地具備了探測高能中微子的靈敏度，其能量遠超太陽中微子。當時無人知曉，一堵由這類粒子構成的激波鋒面正以光速奔襲而來。17萬年前迸發的1059個中微子，此刻已鋪展成半徑達17萬光年的球面，足以包裹整個銀河系了。激波殼層厚度約為地月距離的十倍，這源于中微子從如巨型原子核般致密的塌縮星體中逃逸所需要的數秒時間差。如果計算這個直徑為34萬光年的球殼內1059個中微子的密度，竟然和太陽持續輻射至地球的中微子通量相當。要知道太陽中微子來自僅有8光分之遙的太陽核聚變，而超新星中微子跨越了17萬光年仍保持如此強度，由此可見恒星爆發的劇烈程度。更令人震撼的是，每個超新星中微子攜帶的能量可達主流通道產生的太陽中微子能量的十倍至百倍。

最終，在1987年2月23日，這些中微子抵達了地球，徑直穿透地殼，繼續向北方天空行進。在一秒鐘內，就有千萬億量級的中微子穿過了IMB探測器，同樣龐大的數量也掠過了神岡探測器，可以確定的是，霍姆斯特克礦場及其他實驗室的裝置也經歷了同樣的中微子洪流。然而，當時僅有IMB與神岡探測器具備捕捉它們的能力。在這浩如煙海的粒子群中，IMB僅捕獲到8個攜帶足夠能量被記錄的信號，而神岡則觀測到了11個。值得注意的是，位于日本和美國的探測器均位于北半球，而大麥哲倫云僅在南天肉眼可見。這意味著，超新星爆發產生的中微子先是穿透整個地球，再從探測器底部向上入射。

IMB與神岡探測器最大的優勢之一，就是二者均能夠測量中微子的方向與能量。太陽中微子單粒子能量大多不足1兆電子伏（MeV），而戴維斯的霍姆斯特克氯基實驗所捕捉的最高能粒子也不過14MeV。相比之下，此次超新星爆發檢測到的中微子能量分布在10-50MeV區間。神岡探測器捕捉到11個10-20MeV的中微子，而IMB裝置因對這類相對低能的粒子不敏感，僅記錄到8個能量介于20-50MeV的高能事件。

科學家僅憑這寥寥數個探測事件，就能推導出如此豐富的信息，實在令人驚訝。首先關于能量，實際捕獲的中微子數量相對穿過探測器的萬億級總數而言，不過是滄海一粟。而探測器本身又僅僅占據中微子沖擊波當時所經龐大球面中微不足道的一隅。綜合考慮這些因素，科學家得以估算出中微子從超新星攜帶走的總能量。結果顯示，其總能量約為太陽總能量，即其mc2質能的十分之一，這與超新星爆發理論模型的預測值驚人吻合。根據這些理論，爆炸除通過光輻射和新生原子元素的形式釋放能量外，仍然有大量能量封存于爆炸后殘留的致密中子星mc2質能中。由此，人們開始真正意識到恒星爆發的能量規模何等恢宏。

科學家發現，超新星爆發產生的中微子能量遠超太陽中微子，這一現象立即揭示了恒星塌縮前的核心溫度必然極高。實際上，塌縮瞬間溫度高達400億度，與理論預測值完全吻合。所以中微子的總能量、龐大的總數量，以及持續數秒的爆發時間，均與大質量恒星在自身引力下塌縮形成的超新星的理論相吻合。

中微子爆發持續約十秒這一事實具有重大的科學意義。如果這些中微子源自低密度天體的消亡，整個過程將在千分之一秒內結束。然而，當中微子從具有原子核級致密的天體中擴散逃逸時，其爆發時間必然延長，實際觀測到的數秒逃逸時間也恰恰進行了驗證。所有這些證據都表明中子星在此過程中已經形成。盡管天體物理學家早有推測，即超新星爆發與中子星誕生存在關聯，但這次的中微子觀測首次為這一理論提供了直接證據。

通過捕捉這次短暫的中微子爆發，人類首次得以窺視超新星爆發機制的真實圖景。這一發現全面驗證了此前僅停留于理論階段的認知：超新星是恒星塌縮形成中子星的天文現象。在此過程中，元素周期表中多種元素得以合成，其中就包含孕育未來生命所需的物質基礎。這標志著我們距離證實人類皆為星塵所鑄的這一假說，或者采用更理性的表述，即我們不過是遠古核反應堆遺留產物，邁出了關鍵的一步。

（本文節選自《中微子》第10章“河外中微子”，標題和配圖為編者所加）

書名：《中微子》

?♂? 作者：[英]弗蘭克·克洛斯

翻譯：楊莉莉

內容簡介

《中微子》是英國著名粒子物理學家弗蘭克·克洛斯撰寫的一部面向大眾的科普著作。本書以生動的筆觸講述了中微子——這種幾乎無質量、不帶電、極少與物質相互作用的“幽靈粒子”——從理論預言到實驗探測的百年科學歷程。克洛斯巧妙融合物理學史與前沿研究，還原了泡利、費米、萊因斯、戴維斯等科學家的關鍵貢獻，并穿插了太陽中微子問題、中微子振蕩、超新星爆發（如1987A）等重大事件，揭示了中微子如何顛覆標準模型并打開新物理之門。全書兼具嚴謹性與敘事魅力，被譽為“將最難以捉摸的粒子寫得最引人入勝”的典范。