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。
丁雪峰 · 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
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”
已完成：10% //////////
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？
已完成：20% //////////
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。
▲能量丢失问题
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。
▲泡利（Wolfgang Pauli）
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？
已完成：30% //////////
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
已完成：40% //////////
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。
我们这个实验也是一样，如果放在地面上，干扰太多，就像环境太吵一样，有非常多的噪声，会严重影响实验观测，让我们无法捕捉到想要的东西。所以，我们要把实验装置安置到地下，这里比较安静。
现在，咱们一起来想象一下：在地下700米那么深的地方，有一个很大的球。这个时候，你眼前会是什么样的景象呢？肯定是漆黑一片，什么都看不见，毕竟是在深深的地下。
而当中微子到达我们的探测器时，大多数中微子会直接穿过去，只有非常非常少数的中微子，像打台球一样撞到了一个东西。而撞上之后，就会让我们装在玻璃球里的这种神奇液体发光。想象一下，原本黑色的罐子里面，突然“啪”地一下闪过一道光。
我们在罐子的周围放了很多装置，也就是图上这些黄色的点，我们叫它“黄金瞳”。这个“黄金瞳”非常厉害，它能够捕捉到里面闪现的光。所以我们做的这个实验，其实就是在做一件很简单的事——数这个光闪了多少下。
做这个实验，有两个关键“秘密武器”。第一个就是会发光的液体。我们实验所用的这种发光液体，它的基底叫作L.A.B，也就是线性烷基苯。这东西大家肯定不陌生，每天用的洗手液或者肥皂的原材料里就有它。另外，我们还得往这种液体里添加一点点特殊的发光染料。这样的话，当中微子撞击产生的东西就能让含有发光染料的液体闪光。
第二个“秘密武器”就是这个“黄金瞳”，就相当于我们的眼睛。他的科学名字叫作光电倍增管。
在我们江门中微子实验里，一部分光电倍增管是和国内的北方夜视合作生产的。北方夜视听名字就知道，他们会生产夜视仪。大家在电影里可能都见过，夜视仪可以让你在夜晚看清东西。我们的“黄金瞳”也就是光电倍增管对光线非常敏感，哪怕是非常非常弱的光它也能捕捉到。所以，我们在探测器上大量使用了这样的“黄金瞳”。当中微子在液体中引发闪光的那一下，这双“眼睛”就能捕捉到那一道闪光。
灵感与合作的力量
已完成：60% //////////
接下来，我想讲讲我跟中微子之间的故事。
大家也看到了，中微子探测仪器非常大，光是那个有机玻璃球就直径35米。如此浩大的工程，仅靠我一个人是绝对无法完成的。实际上，我们这个领域有个显著特点，每次做项目，都需要几百人甚至上千人一起做。所以，虽说这里要讲的是我和中微子的故事，但这背后缺不了我的同事、导师，还有当时参与的工程师们等很多科学家的倾力合作，才得到了现在的结果。我在其中只是贡献了一份微薄之力。
我的第一个故事还得追溯到十年前。那时，我还是一名研二的学生，刚刚加入这个项目。老师给我布置了一个课题，前面说到我们做这个实验需要可以捕捉非常弱的光的“眼睛”——光电倍增管。大家是不是很容易想到，“眼睛”塞得越多，观测效果就会越好？
所以，我接的第一个课题就是：怎么在球的内表面尽可能多地安装光电倍增管。因为如果只是沿着水平方向排布，是不是赤道那一圈排列得会更密，而南北两极相对稀，孔洞也会更大一点？
当时有好几个人都在研究这个问题。有一次，我在打排球的时候突然灵机一动：排球的6个面像鼓起的腹部一样，可以排列得比较密。
想到这儿，我马上回家写了一段代码，目的是让光电倍增管按排球表面的排列方式进行布局。当时觉得挺有意思，在打球的时候获得了这样的灵感，然后马上回家洗了个澡，就开始写代码了。
当然，在科学研究中，光考虑数学层面行不行得通是远远不够的，还要考虑工程安装方面的问题。所以，最后我提出的这个方案并没有被采用，主要因为安装难度较大。
这是我们最终实物呈现的效果。在这张图上方密密麻麻的部分就是我们安装的“黄金瞳”——光电倍增管，如同眼睛一般，大家可以看到它们排得非常密。图片下面是我的老师正在检查仪器的运行状态。
我做的另一项工作，跟玻璃球里面这种神奇的液体有关。我的同事们此前研究过，往这种液体里加不同的染料，它会发出不同颜色的光。而且加不同染料后，还要跟我们的“眼睛”——光电倍增管相适配。就比如说人类的眼睛对绿色光最敏感，而我们的“黄金瞳”光电倍增管对波长420纳米的蓝紫色光最敏感。
我所做的事情，就是研究同事选取的这种染料的发光效率。这里面的门道可不少，染料加得太多，液体会变得浑浊；加得太少，发出的光又不够。所以这里存在优化的空间，即探究到底加多少染料最合适。
现在我回到研究所后，发现我们在研究中用了很多既有趣又先进的技术，机器学习就是其中之一。我现在有个学生正在用图片中显示的VGG模型，这是一种机器学习网络。
VGG模型有独特的功能，当给它输入一张图片时，它可以从中学习并提取相关信息。我们将探测器中“眼睛”所看到的原始光子数“喂”进去，然后通过模型，就可以重建中微子进入时的方向等信息。通过这样的先进技术，我们能够更深入地研究中微子的特性和行为。
如果大家感兴趣，欢迎加入我们的项目。
中微子之谜还在继续
已完成：90% //////////
接下来，我想讲一点项目中稍微难一点的部分，大家可以尝试理解，看看能不能跟上思路。
我先唱一小段，大家可以猜猜看，这首歌你们有没有听过。
我刚刚唱了一首歌，大家能听出我唱了什么，也能感知到音高和响度，还可以听出是我在唱，而不是钢琴在唱，这是为什么呢？声音本质上是空气的振动，你之所以能区分人声与钢琴声，靠的是不同的音色。事实上，声音传播时，这种振动它以波的形式存在，从不同的波形你就能听出不同的声音。
结合前面说的，学新东西时要有画面感。现在，让我们把中微子想象成喇叭发出的声音。不同的中微子就像喇叭发出具有不同音色的声音，有的像钢琴声，有的像人声。科学家要研究的问题之一，就是中微子到底像什么声音。
右边的图展示的是中微子的一种现象——中微子振荡，大家可以看它的波形有什么特点。这里有一个明显的大波纹一上一下起伏，仔细看，大波纹上还叠加着小波纹。当时，科学家们第一件任务就是看见这个小波纹，这非常重要。
除中国外，法国、日本、韩国等几个国家都在做相关研究。但由于他们做实验较早，没能看见小波纹。而中国尽管做得稍晚，不过探测器优化得好，还有当时全世界最大的反应堆集群。我们做一年实验，相当于别国做20年，所以一下超过了他们。到现在，在看小波纹幅度方面，中国依然是全世界最好的，这值得我们骄傲。
除了看小波纹，还有一个研究重点。大家看，这个波形有蓝色和红色两种，它们小波纹相对于大波纹的位置不一样。到底是红色波形还是蓝色波形，这是我们要回答的另一个问题。
我可以将中微子的研究总结成A、B、C三个步骤。A步骤是上个10年我们所做的事情，就是看中微子振荡波形上的小波纹。当前这10年，我们的研究重点是确定波形到底是蓝色还是红色。下一个20年，我们要测量一个叫δCP的东西。再下个20年，也许到那时，我们就可以回答宇宙起源是什么，而那时也将是属于你们的时代。
如果大家将来对科学有兴趣，希望有一天我们还会再次相遇。
谢谢！
- END -
文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。
版权说明：
未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，
并且严禁转载至微信以外的平台！