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把整个太平洋倒到一个瓶子里，最后只留下一滴水，就是抓捕这只“幽灵”的难度
中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员
格致校园第50期 | 2024年 北京
这就相当于你拿着一个漏勺，把整个太平洋的水都往瓶子里倒，但瓶子底部却有个大洞，最后你只留下了一滴水。
大家好，我是来自中国科学院高能物理研究所的丁雪峰，今天我演讲的题目叫作《幽灵粒子的前世今生》，那么这个幽灵粒子是什么呢？其实就是中微子，因为中微子的特殊的属性，科学家们就给它起个外号，叫“幽灵粒子”。
最近，大家可能看到了一些关于中微子的新闻。比如这是央视新闻的一篇报道，里面说我国马上要建成一个亚洲最大的有机玻璃球结构。等这个球型结构建成后，我们就可以用它来抓捕中微子。
中微子听起来好像离我们的生活非常遥远。但是其实，我们每天走在路上时，每秒钟大概有10到20次方个中微子穿过我们的身体。这些中微子有可能来自太阳，也有可能来自宇宙诞生的初期，当然还有其他各种来源，其中这两个是最主要的。
那么，中微子到底是什么呢？要介绍清楚这个，我们就得稍微挖得深一点了。我们所处的物质世界，如果把它不断放大来看，比如把人体放大，能看到细胞；再进一步放大，细胞里有分子；再放大，就会发现所有的物质都是由看不见摸不着的原子构成。而当我们把原子继续放大，又会发现原子包括中心的原子核和核外电子。原子核里面，还有更小的质子和中子，质子和中子里又有夸克。到夸克这个层次，就是目前所有人类科学家能够理解到的组成物质世界的最小基本单元了。
大家看上面这张表，它总结了现在科学家所认知的所有构成物质世界的基本粒子。中微子就是这些构成物质世界的“基本小积木”的一类，它是一种基本粒子。
中微子的“隐身术”
那么，为什么中微子会被叫做“幽灵粒子”呢？在做科学研究时，大家要记住一点，不管学数学、物理，或者其他学科，一定要有图像感。因为人类大脑的特性就是喜欢图片思维，学东西时，如果能想象出相关画面，就会学得更快、记得更牢。
就“幽灵粒子”这个称呼而言，我们不妨想象这样一个场景：假设有一个台灯或者手电筒，这是我在家里拍的一张照片，我把一件薄衣服盖在台灯上，大家能看见什么呢？台灯的光透过了白色衬衫透了出来，我们还是可以看见台灯的光，对不对？但是，如果我换上一件很厚的毛衣盖上去，透出的光就会变少。如果我继续盖上更多衣服，最后台灯的光就会被彻底盖住。
现在，我们把台灯想象成能发射中微子的“中微子台灯”，又会出现什么现象呢？这个“中微子台灯”放出的中微子，有非常强的穿透力。你得用整个银河系那么厚的“衣服”，才有可能拦住它发出的中微子。
既然中微子有这么神奇的特点，几乎什么都拦不住它。那么，科学家们想出了什么办法去捕捉这么容易逃脱的中微子呢？
其实，科学家们用了一种看似简单的方法，通俗地讲，就叫“大力出奇迹”，换个说法也就是“海底捞针”。具体而言，就是用极其大量的中微子进行“强攻”，只要能抓到其中极少的一点点就够了。
所以，科学家在抓捕中微子的时候，效率非常低，平均每100万亿亿亿个中微子才能抓到一个，这里有三个“亿”。相当于什么呢？就相当于你拿着一个漏勺，把整个太平洋的水都往瓶子里倒，但瓶子底部却有个大洞，最后你只留下了一滴水。所以，大家便可以想象这件事情的难度之大了。
幽灵粒子是如何被发现的？
抓捕中微子如此困难，科学家们做这项工作可谓障碍重重。那么，最开始我们是怎么发现它的呢？这背后的故事也很神奇。
比如说两人玩扑克牌，一副牌有54张，你手中有20张，那另一个人手上自然就该有34张。同样，比如玩积木，已知积木一共有100块，盒子里有70块，按常理地上就应该有30块。可如果地上只有29块，那意味着什么呢？说明有一块可能掉到某个角落里了，又或者被小朋友带回家了，总之就是缺了一块。
1911年，科学家们就碰到了类似情况。右边这张图展示的是查德威克当时做的实验，横坐标代表测量的“能量”，这个“能量”有点像积木的数量。红线表示理论上应该有的能量值，但是，实际实验测量得到的蓝线却显示，测量值比理论值要少，就好像有些能量“消失”不见了。
这一现象当时可把物理学家们给难住了，他们一度怀疑是不是实验出了问题，于是不断改进实验装置。但最后发现，能量确实就是少了。大家为此苦恼不已。
就在这时，泡利写了一封信，他说：“这可能有鬼了，有一个幽灵粒子把我们丢的那部分能量给带走了。”
他提出这个说法的时候，大家都觉得非常沮丧，心想怎么能提出这种想法呢。但现在，我们都知道这个所谓的“幽灵粒子”——中微子，真的被我们发现了。
为什么要研究中微子？
那么，我们为什么要研究中微子呢？不知道有没有朋友听说过反物质这个东西。可能在一些科幻片里会提到反物质，比如“反物质湮灭光线”，其实这个概念与现实中的反物质特性非常贴切。
反物质最大的特点就是可以湮灭正物质。假如你有一个反物质的球，当它与一个正物质的球接触，这两个球就会彻彻底底地消失，完全湮灭掉，什么都不会剩下。所以，如果正反物质数量一样多，它们一旦碰到一起，就会啥也不剩。
现在科学家普遍认为，宇宙诞生于一场大爆炸。在大爆炸发生的时候，产生的正物质和反物质数量应该是一样的。按照反物质与正物质相遇会相互湮灭的特性，如果正、反物质数量一样多，它们相互碰撞后应该就什么都不会剩下了。但是，我们现在能够站在这，这说明在正反物质湮灭以后，最后还是有一部分物质留存了下来。
为什么会多出来这部分物质？此个问题比较难，我们先放放。大家只需要记住一点：对中微子展开研究，可能能够帮助我们解释为什么在宇宙诞生的大爆炸时刻，一样多的正物质和反物质湮灭后，还能剩下这么少量的物质，于是形成了我们现在所处的物质宇宙。
科学家的捕获工具
现在我们已经知道了为什么要研究中微子，那接下来我就给大家讲一讲科学家是怎么样去“抓捕”中微子这个“幽灵”的。
抓捕中微子的方法有很多，在这我们以正在开展的江门中微子为例。
我们在地底下建造了一个很大的球。大家看这张图片，图片中央的球形结构由很多钢架组成，钢架环绕着一个全世界最大的有机玻璃球。这个有机玻璃球直径达35米，大家可以想象一下，差不多有10层楼那么高。从照片里可以看到一些工人，他们看上去就像蚂蚁一样小，由此可见这个球有多么庞大。
然后，我们会把这个球放在一个圆柱形的罐子里。这张照片是用鱼眼镜头拍的，所以有点变形。但仔细看，外面那一圈其实是个圆柱形的桶。等到做实验的时候，我们会在这个桶里灌满水，而中间的玻璃球内则会灌入一种特殊的油，并且在油里添加一些东西。
那这个装满油的大玻璃球放在哪里呢？这是在广东省江门市拍的一张照片，大家看到这里青山绿水环绕。我们在某个特定地点朝着地下打了一个深达700米的洞，然后把这个球放在地下700米处。
可能有人会问，为什么要埋得这么深呢？其实道理很简单。就比如你跟好朋友聊天，如果是在一个很吵的地方，是不是很难听清他说话？那怎么办呢？我们肯定会找一个安静的地方，这样交流起来就能听得清楚。
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