10月6日下午，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納獲獎(jiǎng)，原因是發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，證實(shí)了中微子有質(zhì)量。
粒子物理，可謂諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“寵兒”?！斑@是粒子物理領(lǐng)域第19次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T曹俊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。
2013年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)者，而希格斯粒子對(duì)于完善粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型具有重要的價(jià)值。
與此相反，中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，則說(shuō)明粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型并不完美。
發(fā)現(xiàn)中微子振蕩是“意外之喜”
今年，日本獲獎(jiǎng)?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)來(lái)自一個(gè)名叫“超級(jí)神岡探測(cè)器”的大家伙。
在超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)之前的幾十年里，太陽(yáng)中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象，一直令人困惑不解。1998年，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使中微子的丟失得到了合理的解釋。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為“中微子振蕩”。
然而，也許很多人不知道的是，日本科學(xué)家當(dāng)初對(duì)于這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，并非“直奔主題”，而純屬“無(wú)心插柳”。
2002年，美國(guó)物理學(xué)家雷蒙特·戴維斯和日本物理學(xué)家小柴昌俊因探測(cè)宇宙中微子，獲諾貝爾獎(jiǎng)。這一成績(jī)，鼓勵(lì)了日本政府加大了中微子研究領(lǐng)域的投入力度。于是，他們將“實(shí)驗(yàn)容器”從3000噸升級(jí)到5萬(wàn)噸，做成了超級(jí)神岡探測(cè)器。
“超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)當(dāng)初設(shè)計(jì)出來(lái)并不是為了尋找中微子實(shí)驗(yàn)，而是要找質(zhì)子衰變。在探測(cè)質(zhì)子衰變的過(guò)程中，需要去除中微子的影響，最后，超級(jí)神岡探測(cè)器雖然沒(méi)有找到質(zhì)子衰變，卻意外地發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩?！辈芸≌f(shuō)，“一般能夠得上諾獎(jiǎng)級(jí)別的，都是有一些意外的發(fā)現(xiàn)。”
物理學(xué)獎(jiǎng)在頒什么？
中微子，屬于構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子，按照粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，中微子沒(méi)有質(zhì)量，也不會(huì)發(fā)生振蕩。
“目前圍繞著粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，已經(jīng)頒發(fā)了18個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，有一部分頒給新粒子的發(fā)現(xiàn)者，有一部分頒給相互作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)者。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，中微子是標(biāo)準(zhǔn)模型里認(rèn)識(shí)得最不清楚的一種粒子?！辈芸≌f(shuō)。
而后，科學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩?！爸形⒆诱袷幹灾匾?，正是因?yàn)樗嬖V我們中微子是有質(zhì)量的?！敝锌圃焊吣芪锢硭L(zhǎng)王貽芳告訴記者。
探測(cè)到振蕩并不容易。很早以前，人類(lèi)就發(fā)現(xiàn)了中微子的存在，而且證明確實(shí)存在3種中微子，分別是電子中微子、μ中微子和τ中微子，這3種中微子占了12種基本粒子的四分之一。但是，中微子之間的作用機(jī)制一直是個(gè)謎。
“每秒鐘，穿過(guò)我們身體的太陽(yáng)中微子就有幾百萬(wàn)個(gè)，而且，由于不帶電，它幾乎不跟物質(zhì)發(fā)生相互作用。”曹俊說(shuō)。
當(dāng)初，科學(xué)家之所以能探測(cè)到中微子的振蕩，或許要部分歸功于大型探測(cè)器?！叭毡境?jí)神岡實(shí)驗(yàn)其實(shí)就是個(gè)巨大的‘水罐子’?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T張雙南向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋說(shuō)，里面裝著5萬(wàn)噸液體作為探測(cè)介質(zhì)，“‘水’越多，粒子相互作用的機(jī)會(huì)就越大，捕捉到相互作用的可能性也就越大”。
“不同質(zhì)量的中微子，在飛行的過(guò)程中，振動(dòng)的頻率不同，不同頻率的中微子會(huì)相互發(fā)生干涉，形成其他的中微子。”曹俊說(shuō)。
發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩和質(zhì)量，表明粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型仍有待擴(kuò)展，而這也將為未來(lái)粒子物理的發(fā)展指出更多的方向?！拔覀儸F(xiàn)在認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型是一定要突破的，也是一定能夠突破的?！辈芸≌f(shuō)。
張雙南表示，中微子振蕩，乃至中微子質(zhì)量研究，還將有助于理解宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)為什么是不對(duì)稱(chēng)的?！皹?biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言正物質(zhì)和反物質(zhì)是對(duì)稱(chēng)的，但是宇宙中主要是正物質(zhì)，反物質(zhì)非常少，大家認(rèn)為中微子質(zhì)量很可能與此有關(guān)，這也是大家關(guān)心中微子振蕩的重要原因?！彼f(shuō)。
粒子物理往哪走？
盡管此次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主中并未出現(xiàn)中國(guó)人的身影，但中國(guó)在粒子物理領(lǐng)域仍然有著舉足輕重的地位。
“今天頒發(fā)的兩個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)分別是大氣中微子振蕩和太陽(yáng)中微子振蕩，其他的還有反應(yīng)堆中微子振蕩和加速器中微子振蕩，從來(lái)源上說(shuō)基本就是這4種研究手段?！辈芸≈赋觯爸袊?guó)在反應(yīng)堆中微子振蕩領(lǐng)域是世界上做得最好的?！?/p>
曹俊所說(shuō)的“最好”，指的是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)由中科院高能物理研究所的科研人員于2003年提出，利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，尋找中微子的第三種振蕩。
“相比于日本和加拿大，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的規(guī)模要小一些，原因是我們探索的是反應(yīng)堆中微子。”張雙南指出，由于核電站的中微子通量非常高，所以規(guī)模要小得多，“我們跟其他國(guó)家的實(shí)驗(yàn)探測(cè)不是同一個(gè)東西，發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象也不一樣”。
2012年3月，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)組織發(fā)言人宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩幾率。
有趣的是，關(guān)于大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，中日間也曾出現(xiàn)過(guò)競(jìng)爭(zhēng)。此前，日本發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式的一些端倪，但卻無(wú)法做到精確測(cè)量?！拔覀儞屜茸C實(shí)了它的存在?！辈芸≌f(shuō)。
當(dāng)下，中國(guó)還在推動(dòng)中微子質(zhì)量的研究。今年1月，繼大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)之后，由中國(guó)主持的第二個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)在廣東省江門(mén)市建設(shè)啟動(dòng)。其首要科學(xué)目標(biāo)是利用反應(yīng)堆中微子振蕩確定中微子質(zhì)量順序。實(shí)驗(yàn)站將建在地下700米深處，計(jì)劃2020年投入運(yùn)行并開(kāi)始物理取數(shù)，運(yùn)行至少20年。
然而，對(duì)于多年來(lái)在諾獎(jiǎng)中備受寵愛(ài)的粒子物理，曹俊卻顯得很謹(jǐn)慎。“除非有特別重大的新發(fā)現(xiàn)，否則粒子物理未來(lái)可能不會(huì)再繼續(xù)受寵。”
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