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

　　文｜郝俊 　　 

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

新科諾獎得主Takaaki Kajita 

　　新科諾獎得主Arthur B. McDonald 

　　歷史性發(fā)現 

　　2015年諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald），以表彰他們在證明中微子振蕩實驗中的關鍵性貢獻。

　　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)現了大氣中微子振蕩，而阿瑟·麥克唐納于2001年發(fā)現了太陽中微子振蕩。

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

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

　　諾獎委員會介紹，中微子的類型轉換需要中微子具有質量。這項發(fā)現改變了我們對于物質最深層次機制的理解，這對于我們理解宇宙非常關鍵。

　　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)現大氣中微子在飛行中存在兩種類型之間轉換。

　　與此同時，加拿大由阿瑟·麥克唐納教授領導的研究小組，也證實太陽的中微子在到達地球時并沒有消失。因為他們在薩德伯里中微子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory）捕獲了這些微粒。

　　困擾了物理學家數十年的中微子之謎目前已經解決。通過理論計算中微子數量，他們測量發(fā)現多達三分之二的中微子在到達地球前消失。現在兩個實驗均發(fā)現，中微子改變了身份。

　　這一發(fā)現由此可得出一個意味深長的結論，即很長一段時間中微子被認為是無質量，但它其實是有質量,只是很小。

　　對于粒子物理學來說，這是一個歷史性的發(fā)現。這項關于物質最本質的標準模型相當成功，在過去的二十年中接受了來自各種實驗的檢驗。然而在這個模型當中，中微子是無質量的，新的觀察結果表明這個標準模型不能夠成為關于宇宙基本成分的完整理論。

　　這項發(fā)現對中微子隱藏世界以外的領域有著深刻的洞察力，因而它獲得了今年的諾貝爾物理學獎。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。

　　許多中微子產生于宇宙射線和地球大氣層之間的反應，另一些則在太陽的核反應中產生。每一秒鐘，數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在全世界都在展開緊張的實驗就是為了能夠捕捉并研究中微子的性質。關于它們最深層次的秘密的發(fā)現將有望改變我們對于宇宙歷史、結構和未來命運的理解。

　　中微子研究四個獲獎 

　　中科院高能物理所研究員曹俊認為，中微子振蕩比較復雜，做出重要貢獻的人也很多，僅2002年諾貝爾物理學獎得主小柴昌俊就有三個著名的弟子在中微子振蕩領域貢獻突出?！霸谖覀兺馊丝磥?，他們貢獻都很重要?，F在發(fā)給了Kajita，說明Kajita的貢獻最突出。”另外他還表示，2002年，諾貝爾委員會已經發(fā)了關于中微子的一個獎，當時是發(fā)給探測宇宙中微子的，而恰好探測宇宙中微子的兩個人，也做出了中微子振蕩最早的兩個證據，“所以有點重合”。此前還有兩次諾貝爾獎發(fā)給了中微子，分別是首次發(fā)現中微子和發(fā)現第二種中微子。

　　那么，中微子為什么這么重要？值得發(fā)四個諾獎？

　　曹俊進一步分析：“中微子是標準模型中我們了解最少的粒子，因為它很難探測。粒子物理的理論體系稱為標準模型，為了建立這個標準模型，近50年發(fā)了十幾個諾貝爾獎，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。我覺得以后還會給中微子研究發(fā)諾貝爾獎。

　　中微子振蕩是目前為止，標準模型中唯一有堅實證據超出標準模型的實驗現象。標準模型認為，中微子沒有質量，也沒有振蕩?，F在發(fā)現它有質量，標準模型需要修改。但怎么改，我們現在還不是特別清楚。

　　中微子小傳 

　　中微子是構成物質世界的最基本粒子之一，它關聯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。在中子變成質子和一個電子的過程中就能產生中微子。中微子產生時，其動能可達到百萬電子伏特量級，而物理學家當時猜測，其靜止質量在幾個或幾十電子伏特?，F在，物理學家普遍認為，中微子的靜止質量上限是0.3電子伏特?！?/p>

　　20世紀初，能量和動量守恒定律已被物理學家廣泛接受，成為物理學基本定律之一。然而不久之后科學家們發(fā)現，中子在衰變成質子和電子（β衰變）時，能量會出現虧損。丹麥物理學家尼爾斯·波爾據此認為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

　　曹則賢介紹，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang 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，意大利物理學家費米（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理論概念，未曾得到實驗證據。直到1956年，美國科學家柯溫（C. Cowan）和萊因斯（F. Reines）利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，第一次從實驗上得到中微子存在的證據。

　　隨后，物理學家在粒子物理標準模型中，對中微子作出了精確的描述和預言，且指出存在三種中微子，分別對應電子，mu子，tau子這三種輕子，物理上稱為三種“味道”。

　　實驗物理學家則在中微子探測中發(fā)現，來自太陽的中微子數目比理論預言少了近三分之一，成為著名的“太陽中微子問題”。

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

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

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

　　無論對理論物理還是實驗物理而言，中微子振蕩的發(fā)現都非常重要，因為這意味著中微子具有質量，而這與原始的粒子物理標準模型不相吻合。然而，中微子質量的具體數值，至今仍然是未解之謎。

　　中國科學家的探索 

　　“中微子振蕩總歸會得諾獎，只是早晚的問題而已?！蓖踬O芳評價道。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獲獎了?！?/p>

　　事實上，我國物理學家同樣對在中微子振蕩領域的研究中做出過重要貢獻。

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

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

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

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

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

　　（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（復旦大學物理系教授）、王承志（中科院生物物理研究所助理研究員）、段兆晨（中國科學技術大學博士研究生）、趙佳媛（復旦大學博士研究生）、王鑫（北大碩士研究生）、葉水送、陳曉雪）