陳曉軍

今年諾貝爾物理學(xué)獎授予日本的梶田隆章與加拿大的阿瑟·麥克唐納，以表彰他們發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，該發(fā)現(xiàn)表明中微子擁有質(zhì)量。中微子是輕子的一種，它在宇宙中無處不在，幾乎零質(zhì)量，很少與其他任何物質(zhì)互動，因而很難研究它們。梶田隆章和麥克唐納使用日本、加拿大兩國的大型儀器對中微子做出了重要的測量，他們的研究證明中微子存在質(zhì)量。這個發(fā)現(xiàn)對粒子物理學(xué)影響深遠(yuǎn)，甚至在我們對宇宙的理解上都有突破性的意義。

中微子的預(yù)言

我們生活在一個中微子的世界里。每一秒都有數(shù)以萬億計的中微子通過你的身體。但你看不到它們，也感受不到它們的存在。中微子幾乎以光速在宇宙中傳播，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用。那么它們究竟來自何方？其中一些中微子是在宇宙大爆炸中產(chǎn)生的，其他則產(chǎn)生于空間或地球上的各種不同過程之中——從恒星衰亡時的超新星爆發(fā)，到核電站內(nèi)的反應(yīng)堆，以及自然發(fā)生的放射性衰變過程，等等。甚至在我們的身體內(nèi)部，平均每秒也有超過5000個中微子在鉀的同位素衰變過程中被產(chǎn)生出來。在抵達(dá)地球的中微子中，大部分都源自太陽內(nèi)部的核反應(yīng)過程。在整個宇宙中，中微子的數(shù)量僅次于光子，是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。

然而，長期以來科學(xué)家們甚至都無法確認(rèn)中微子是否真的存在。事實(shí)上，當(dāng)中微子的概念最早由物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇岢鰜頃r（泡利是1945年諾貝爾獎獲得者），他的主要目的是想為由于β衰變過程中表現(xiàn)出來的能量不守恒現(xiàn)象而感到絕望的物理學(xué)家們找到一個解釋。β衰變是原子核衰變的一種形式。1930年12月，泡利以“親愛的（從事）放射性（研究的）女士們和先生們”開頭，致信給他的物理學(xué)同行。在這封信中，泡利提出，β衰變過程中的一部分能量可能是被一種具有電中性、弱相互作用且質(zhì)量極小的粒子帶走了。但甚至是泡利本人也幾乎不相信這樣一種粒子是真實(shí)存在的。據(jù)說他曾經(jīng)說過這樣的話：“我做了一件糟糕的事情，我提出了一種不可能被探測到的粒子。”

不久之后，意大利物理學(xué)家費(fèi)米（1938年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）提出了一種優(yōu)雅的理論，這個理論將泡利所提出的這種質(zhì)量極小且具有電中性的粒子也包含在內(nèi)。這種粒子被稱作“中微子”。沒有人會想到，這種小小的粒子將引發(fā)粒子物理學(xué)乃至宇宙學(xué)的革命。

太陽中微子失蹤之謎

我們知道，萬物生長靠太陽。太陽的能量從哪里來？20世紀(jì)上半葉，物理學(xué)家們普遍相信太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫到氦的核聚變反應(yīng)。 1939年，德國科學(xué)家貝特等人提出：在太陽內(nèi)部每4個氫核（即質(zhì)子）轉(zhuǎn)化成1個氦核、2個正電子和2個神秘的中微子。太陽正是由這種核聚變反應(yīng)釋放出來的能量發(fā)光發(fā)熱，哺育著地球上的萬物。隨著熱核反應(yīng)的進(jìn)行，中微子被源源不斷地釋放出來。1956年，美國科學(xué)家萊因斯和科萬利用核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)首次測到為數(shù)不多的中微子。萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎?？茖W(xué)家認(rèn)為：假如貝特的理論是正確的，我們可以根據(jù)太陽釋放的能量，精確地計算出太陽釋放出多少中微子以及它們的能量分布。但是科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一個問題：測到的中微子數(shù)僅有預(yù)期的三分之一。這就是物理學(xué)中著名的“太陽中微子失蹤之謎”。

為了建立更加完善的基本粒子物理理論，需要解決太陽中微子失蹤之謎。但是直到20世紀(jì)末，這一問題仍然沒有得到圓滿的解決。

發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩

20世紀(jì)70年代末，日本的小柴昌俊提出進(jìn)行神岡實(shí)驗(yàn)，來尋找質(zhì)子衰變。神岡實(shí)驗(yàn)沒有找到質(zhì)子衰變，但是發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：來自太空的高能宇宙射線在地球大氣層中會產(chǎn)生大量中微子，稱為大氣中微子，包括電子中微子、μ中微子以及它們的反粒子。1988年，小柴昌俊的學(xué)生、29歲的梶田隆章在分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，測到的中微子比預(yù)期少，被稱為“大氣中微子反?！?。

如果不是大自然的慷慨，大氣中微子反常之謎也許還要延續(xù)很久，因?yàn)橹形⒆犹y探測，更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)需要大筆的經(jīng)費(fèi)投入。就在小柴昌俊退休前不久，銀河系的小兄弟大麥哲倫星云內(nèi)有一顆恒星走到了生命的終點(diǎn)，它的臨終掙扎就是超新星爆發(fā)——SN1987A（實(shí)際上它的光傳到地球上需要16.8萬年）。它的光芒蓋過了整個星系，肉眼就可見到。這是400年來觀測到的最明亮的超新星。神岡實(shí)驗(yàn)觀測到了它發(fā)出的中微子，證實(shí)了超新星爆發(fā)會產(chǎn)生極其多的中微子。小柴昌俊因“觀測到來自宇宙的中微子”，與戴維斯一起分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

到了20世紀(jì)90年代，神岡探測器進(jìn)行了第二次擴(kuò)建，這一次規(guī)模擴(kuò)大了10倍，用了5萬噸超純水和11200個光電倍增管，并改名為氣勢十足的超級神岡探測器。1996年，超級神岡探測器開始取數(shù)。超級神岡探測器也通過切倫科夫光來探測中微子，除了太陽中微子，超級神岡實(shí)驗(yàn)主要用來探測大氣中微子信號。1998年，超級神岡實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)人之一，梶田隆章發(fā)表了實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果，第一次證實(shí)了中微子振蕩現(xiàn)象的存在。

丟失的太陽中微子找到了

2001年6月18日中午12時15分，由加拿大人阿瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的美國、英國和加拿大科學(xué)家組成的中微子實(shí)驗(yàn)組宣布了一個激動人心的消息：他們解決了太陽中微子難題。這個國際合作小組使用了1000噸重水來探測中微子。探測器放置在加拿大南部城市薩德伯里地下2000米深的一個礦井中。他們用一種不同于神岡實(shí)驗(yàn)和超級神岡實(shí)驗(yàn)的新方法探測高能區(qū)的太陽中微子。這個實(shí)驗(yàn)不但確定了電子中微子的數(shù)量，還確定了來自太陽的3種類型的中微子的總量，結(jié)果與太陽模型的預(yù)言相一致。電子中微子占所有中微子總數(shù)的三分之一。這樣，問題的關(guān)鍵就清楚了：雖然在地面觀測到的電子中微子數(shù)量只占太陽中微子總數(shù)的三分之一，但是后者并沒有減少;丟失的電子中微子并沒有“消失”，只是轉(zhuǎn)變成了難以探測的μ中微子和τ中微子。

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諾貝爾物理學(xué)獎四度青睞中微子

1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格在美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室利用質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)了第二種中微子μ中微子。他們因此獲得了1988年的諾貝爾物理學(xué)獎。后來人們證實(shí)總共有3種中微子。

1956年，美國科學(xué)家萊因斯和科萬利用核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)首次測到為數(shù)不多的中微子。萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1998年，日本的Super-K實(shí)驗(yàn)以確鑿證據(jù)證實(shí)中微子的丟失，是因?yàn)橹形⒆影l(fā)生了振蕩。美國的戴維斯和日本的小柴昌俊因?yàn)閷μ栔形⒆雍痛髿庵形⒆拥难芯?，同時獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

本年度日本科學(xué)家梶田隆章、加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納再次因“中微子”獲獎，他們發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，從而證實(shí)了中微子有質(zhì)量。使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象得到了合理的解釋。

諾貝爾獎為何頻頻頒給“中微子”？

我們知道，諾貝爾獎頒獎十分謹(jǐn)慎，甚至苛刻，在諾貝爾獎歷史上，對同樣領(lǐng)域的研究能4次獲獎的，除了中微子外再無其他，中微子到底有怎樣的魅力？這主要是因?yàn)椋形⒆拥难芯繉θ藗冋J(rèn)識宇宙起源與發(fā)展有重大意義。100年前，中微子對所有人來說都是謎，我們根本不了解它。一開始我們以為中微子是沒有質(zhì)量的。在這個邏輯前提下，我們認(rèn)為可能有一些影響中微子質(zhì)量的物理學(xué)定律還未發(fā)現(xiàn)。但是現(xiàn)在我們知道了中微子是有質(zhì)量的，也就是說并不存在我們還未發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)定律。但是，中微子研究至今仍有許多未解之謎：一是，雖然我們知道中微子有質(zhì)量，但卻不知道它的質(zhì)量到底是多少;第二個問題就是，中微子為什么這么輕依然有質(zhì)量？也就是說，我們對中微子知道得仍然太少，每一個發(fā)現(xiàn)都是這個領(lǐng)域的重量級發(fā)現(xiàn)。中微子的魅力在全球物理學(xué)界將不斷延續(xù)。

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中國大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國際合作項(xiàng)目，由中國、美國領(lǐng)導(dǎo)，俄羅斯、捷克及中國香港與中國臺灣科學(xué)家共同參與。其2006年立項(xiàng)，2007年10月動工，2011年年中逐步完成探測器的建造與安裝，同年8月開始近點(diǎn)取數(shù)、12月下旬開始遠(yuǎn)近點(diǎn)同時運(yùn)行。整個實(shí)驗(yàn)建有總長3000米的隧道和3個地下實(shí)驗(yàn)大廳，3個實(shí)驗(yàn)大廳共放置8臺中微子探測器，每臺探測器高5米、直徑5米、重110噸，均置于10米深的水池中。

2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，其振蕩概率為9.2%，誤差為1.7%，此測量結(jié)果的置信度為5.2西格瑪。此次大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，以超過5倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差確立了中微子的第三種振蕩模式，更精確地測定了中微子相互振蕩的3個混合角中的最后一個角θ13。這一重要成果是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的一個新的認(rèn)識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中的“反物質(zhì)消失之謎”。

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