薩德伯里中微子天文臺(Sudbury Neutrino Observatory)探測太陽光線中產(chǎn)生的中微子，這是電子中微子產(chǎn)生的唯一途徑。圖片來自Nobelprize.org　　 

　　文｜郝俊 　　 

　　北京時(shí)間10月6日下午5點(diǎn)45分，2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，日本科學(xué)家梶田隆章（Takaaki Kajita）、加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald）各分享一半獎(jiǎng)金。2015年諾獎(jiǎng)季，日本科學(xué)家再下一城。

新科諾獎(jiǎng)得主Takaaki Kajita 

　　新科諾獎(jiǎng)得主Arthur B. McDonald 

　　歷史性發(fā)現(xiàn) 

　　2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald），以表彰他們在證明中微子振蕩實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。

　　中科院高能物理所所長王貽芳向《知識分子》介紹，梶田隆章1998年發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩，而阿瑟·麥克唐納于2001年發(fā)現(xiàn)了太陽中微子振蕩。

　　諾貝爾官方網(wǎng)站顯示，梶田隆章（Takaaki Kajita），日本人，1955年生于日本東松山市，1986年獲日本東京大學(xué)博士學(xué)位，日本宇宙射線研究院主任，東京大學(xué)教授；阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald），加拿大人，1943年生于加拿大（新斯科細(xì)亞?。┫つ崾?，1969年于美國加州理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，加拿大女王大學(xué)終身榮譽(yù)教授。

　　王貽芳告訴《知識分子》：“中微子振蕩的物理意義在于，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的微觀世界物理現(xiàn)象，它實(shí)際是量子力學(xué)現(xiàn)象在宏觀上的一種干涉顯現(xiàn)，在宇宙學(xué)和粒子物理領(lǐng)域都具有極其重要的意義”。

　　諾獎(jiǎng)委員會(huì)介紹，中微子的類型轉(zhuǎn)換需要中微子具有質(zhì)量。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)改變了我們對于物質(zhì)最深層次機(jī)制的理解，這對于我們理解宇宙非常關(guān)鍵。

　　千年之交，梶田隆章使用日本的超級神岡探測器（Super-Kamiokande detector ）發(fā)現(xiàn)大氣中微子在飛行中存在兩種類型之間轉(zhuǎn)換。

　　與此同時(shí)，加拿大由阿瑟·麥克唐納教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，也證實(shí)太陽的中微子在到達(dá)地球時(shí)并沒有消失。因?yàn)樗麄冊谒_德伯里中微子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory）捕獲了這些微粒。

　　困擾了物理學(xué)家數(shù)十年的中微子之謎目前已經(jīng)解決。通過理論計(jì)算中微子數(shù)量，他們測量發(fā)現(xiàn)多達(dá)三分之二的中微子在到達(dá)地球前消失?，F(xiàn)在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，中微子改變了身份。

　　這一發(fā)現(xiàn)由此可得出一個(gè)意味深長的結(jié)論，即很長一段時(shí)間中微子被認(rèn)為是無質(zhì)量，但它其實(shí)是有質(zhì)量,只是很小。

　　對于粒子物理學(xué)來說，這是一個(gè)歷史性的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)關(guān)于物質(zhì)最本質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)模型相當(dāng)成功，在過去的二十年中接受了來自各種實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。然而在這個(gè)模型當(dāng)中，中微子是無質(zhì)量的，新的觀察結(jié)果表明這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型不能夠成為關(guān)于宇宙基本成分的完整理論。

　　這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對中微子隱藏世界以外的領(lǐng)域有著深刻的洞察力，因而它獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在光子之后，中微子成為宇宙中最多的粒子。地球則持續(xù)承受著它們的轟擊。

　　許多中微子產(chǎn)生于宇宙射線和地球大氣層之間的反應(yīng)，另一些則在太陽的核反應(yīng)中產(chǎn)生。每一秒鐘，數(shù)以萬億的中微子流穿過我們的身體。幾乎沒有任何東西可以阻礙它們的傳遞，中微子是自然中最令人難以捉摸的基本粒子?，F(xiàn)在全世界都在展開緊張的實(shí)驗(yàn)就是為了能夠捕捉并研究中微子的性質(zhì)。關(guān)于它們最深層次的秘密的發(fā)現(xiàn)將有望改變我們對于宇宙歷史、結(jié)構(gòu)和未來命運(yùn)的理解。

　　中微子研究四個(gè)獲獎(jiǎng) 

　　中科院高能物理所研究員曹俊認(rèn)為，中微子振蕩比較復(fù)雜，做出重要貢獻(xiàn)的人也很多，僅2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主小柴昌俊就有三個(gè)著名的弟子在中微子振蕩領(lǐng)域貢獻(xiàn)突出?！霸谖覀兺馊丝磥?，他們貢獻(xiàn)都很重要?，F(xiàn)在發(fā)給了Kajita，說明Kajita的貢獻(xiàn)最突出?！绷硗馑€表示，2002年，諾貝爾委員會(huì)已經(jīng)發(fā)了關(guān)于中微子的一個(gè)獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)是發(fā)給探測宇宙中微子的，而恰好探測宇宙中微子的兩個(gè)人，也做出了中微子振蕩最早的兩個(gè)證據(jù)，“所以有點(diǎn)重合”。此前還有兩次諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)給了中微子，分別是首次發(fā)現(xiàn)中微子和發(fā)現(xiàn)第二種中微子。

　　那么，中微子為什么這么重要？值得發(fā)四個(gè)諾獎(jiǎng)？

　　曹俊進(jìn)一步分析：“中微子是標(biāo)準(zhǔn)模型中我們了解最少的粒子，因?yàn)樗茈y探測。粒子物理的理論體系稱為標(biāo)準(zhǔn)模型，為了建立這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，近50年發(fā)了十幾個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，中微子是其中研究得最不清楚的，本身還有很多問題沒有解決。我覺得以后還會(huì)給中微子研究發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)。

　　中微子振蕩是目前為止，標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一有堅(jiān)實(shí)證據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，中微子沒有質(zhì)量，也沒有振蕩。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它有質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)模型需要修改。但怎么改，我們現(xiàn)在還不是特別清楚。

　　中微子小傳 

　　中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本粒子之一，它關(guān)聯(lián)著宇宙演化的諸多奧秘。

　　中科院物理所研究員曹則賢告訴《知識分子》：“中微子neutrino的名字是意大利語，意思是中性的小東西。在中子變成質(zhì)子和一個(gè)電子的過程中就能產(chǎn)生中微子。中微子產(chǎn)生時(shí)，其動(dòng)能可達(dá)到百萬電子伏特量級，而物理學(xué)家當(dāng)時(shí)猜測，其靜止質(zhì)量在幾個(gè)或幾十電子伏特?，F(xiàn)在，物理學(xué)家普遍認(rèn)為，中微子的靜止質(zhì)量上限是0.3電子伏特?！?/p>

　　20世紀(jì)初，能量和動(dòng)量守恒定律已被物理學(xué)家廣泛接受，成為物理學(xué)基本定律之一。然而不久之后科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，中子在衰變成質(zhì)子和電子（β衰變）時(shí)，能量會(huì)出現(xiàn)虧損。丹麥物理學(xué)家尼爾斯·波爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

　　曹則賢介紹，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）在1930年給出了不同的解釋。泡利提出，β衰變過程中可能產(chǎn)生了一種電中性的粒子，不參與通常的電磁相互作用，很難被探測到，而正是它“偷走”了衰變中釋放的能量。為避免與已有的中子概念混淆，意大利物理學(xué)家費(fèi)米（E. Fermi）將其正式命名為中微子。

　　此后二十余年，中微子一直都是一個(gè)理論概念，未曾得到實(shí)驗(yàn)證據(jù)。直到1956年，美國科學(xué)家柯溫（C. Cowan）和萊因斯（F. Reines）利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，第一次從實(shí)驗(yàn)上得到中微子存在的證據(jù)。

　　隨后，物理學(xué)家在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，對中微子作出了精確的描述和預(yù)言，且指出存在三種中微子，分別對應(yīng)電子，mu子，tau子這三種輕子，物理上稱為三種“味道”。

　　實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則在中微子探測中發(fā)現(xiàn)，來自太陽的中微子數(shù)目比理論預(yù)言少了近三分之一，成為著名的“太陽中微子問題”。

　　對此，一個(gè)可能的解釋是，特定“味”的中微子在傳播中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌摹拔丁?，探測到的中微子處于哪個(gè)“味”由傳播中不斷改變的波形決定。意大利理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫（Bruno Pontecorvo）首先提出這一猜想，稱這一現(xiàn)象為“中微子振蕩”。

　　如果中微子有質(zhì)量，那么它按質(zhì)量劃分也是三種，但一般跟“味道”不會(huì)重合，即一種味道的中微子可以看成包含三種不同質(zhì)量成分的疊加，因此在飛行過程中會(huì)發(fā)生量子干涉，導(dǎo)致振蕩現(xiàn)象。

　　1998年，日本科學(xué)家利用超級神岡探測器首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的確切證據(jù)。此后，太陽中微子振蕩、大氣中微子振蕩、反應(yīng)堆中微子振蕩、加速器中微子振蕩均被科學(xué)家的一系列實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

　　無論對理論物理還是實(shí)驗(yàn)物理而言，中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)都非常重要，因?yàn)檫@意味著中微子具有質(zhì)量，而這與原始的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型不相吻合。然而，中微子質(zhì)量的具體數(shù)值，至今仍然是未解之謎。

　　中國科學(xué)家的探索 

　　“中微子振蕩總歸會(huì)得諾獎(jiǎng)，只是早晚的問題而已?！蓖踬O芳評價(jià)道。而中科院高能所研究員邢志忠說：“很多年前，大家都在說他們二人會(huì)獲獎(jiǎng)了。”

　　事實(shí)上，我國物理學(xué)家同樣對在中微子振蕩領(lǐng)域的研究中做出過重要貢獻(xiàn)。

　　復(fù)旦大學(xué)物理系教授施郁告訴《知識分子》，早在抗戰(zhàn)時(shí)期，我國物理學(xué)家王淦昌就提出探測中微子方法，發(fā)表在《物理學(xué)評論》上。

　　據(jù)曹俊介紹，此次獲獎(jiǎng)的太陽中微子實(shí)驗(yàn)成果，其方法是加州大學(xué)爾灣分校的華人物理學(xué)家陳華森（Herbert Chen）提出的，1985年發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上，后來被加拿大薩德伯里中微子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory）采用，用重水同時(shí)探測三種中微子，確鑿無疑地證實(shí)了太陽中微子振蕩。

　　另外，王貽芳回國后的工作一直與中微子振蕩有關(guān)。2012年3月8日，王貽芳領(lǐng)銜的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組宣布，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式。這一發(fā)現(xiàn)被美國《科學(xué)》雜志評為2012年度世界十大科學(xué)突破，并評價(jià)說，該工作打開了中微子下一步發(fā)展的大門，很可能為宇宙的現(xiàn)狀提供了一種解釋。

　　來自大亞灣的發(fā)現(xiàn)，不僅讓人們更加理解基本粒子的物理規(guī)律，還使得科學(xué)家能夠利用現(xiàn)有技術(shù)手段，開始研究宇宙中的反物質(zhì)消失之謎。這無疑讓全世界的物理學(xué)家感到興奮。

　　目前，中微子領(lǐng)域還有很多問題有待解決?！斑€有很多重要工作要做，包括測量中微子其他的性質(zhì)，如中微子質(zhì)量順序，中微子CP破壞（即電荷宇稱不對稱性）等。”

　　（特別致謝：王貽芳（中科院高能物理所研究員）、曹?。ㄖ锌圃焊吣芪锢硭芯繂T）、曹則賢（中科院物理所研究員）、施郁（復(fù)旦大學(xué)物理系教授）、王承志（中科院生物物理研究所助理研究員）、段兆晨（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生）、趙佳媛（復(fù)旦大學(xué)博士研究生）、王鑫（北大碩士研究生）、葉水送、陳曉雪）