萨德伯里中微子天文台(Sudbury Neutrino Observatory)探测太阳光线中产生的中微子，这是电子中微子产生的唯一途径。图片来自Nobelprize.org　　 

　　文｜郝俊 　　 

　　北京时间10月6日下午5点45分，2015年诺贝尔物理学奖揭晓，日本科学家梶田隆章（Takaaki Kajita）、加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）各分享一半奖金。2015年诺奖季，日本科学家再下一城。

新科诺奖得主Takaaki Kajita 

　　新科诺奖得主Arthur B. McDonald 

　　历史性发现 

　　2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald），以表彰他们在证明中微子振荡实验中的关键性贡献。

　　中科院高能物理所所长王贻芳向《知识分子》介绍，梶田隆章1998年发现了大气中微子振荡，而阿瑟·麦克唐纳于2001年发现了太阳中微子振荡。

　　诺贝尔官方网站显示，梶田隆章（Takaaki Kajita），日本人，1955年生于日本东松山市，1986年获日本东京大学博士学位，日本宇宙射线研究院主任，东京大学教授；阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald），加拿大人，1943年生于加拿大（新斯科细亚省）悉尼市，1969年于美国加州理工大学获得博士学位，加拿大女王大学终身荣誉教授。

　　王贻芳告诉《知识分子》：“中微子振荡的物理意义在于，科学家发现了一种全新的微观世界物理现象，它实际是量子力学现象在宏观上的一种干涉显现，在宇宙学和粒子物理领域都具有极其重要的意义”。

　　诺奖委员会介绍，中微子的类型转换需要中微子具有质量。这项发现改变了我们对于物质最深层次机制的理解，这对于我们理解宇宙非常关键。

　　千年之交，梶田隆章使用日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande detector ）发现大气中微子在飞行中存在两种类型之间转换。

　　与此同时，加拿大由阿瑟·麦克唐纳教授领导的研究小组，也证实太阳的中微子在到达地球时并没有消失。因为他们在萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）捕获了这些微粒。

　　困扰了物理学家数十年的中微子之谜目前已经解决。通过理论计算中微子数量，他们测量发现多达三分之二的中微子在到达地球前消失。现在两个实验均发现，中微子改变了身份。

　　这一发现由此可得出一个意味深长的结论，即很长一段时间中微子被认为是无质量，但它其实是有质量,只是很小。

　　对于粒子物理学来说，这是一个历史性的发现。这项关于物质最本质的标准模型相当成功，在过去的二十年中接受了来自各种实验的检验。然而在这个模型当中，中微子是无质量的，新的观察结果表明这个标准模型不能够成为关于宇宙基本成分的完整理论。

　　这项发现对中微子隐藏世界以外的领域有着深刻的洞察力，因而它获得了今年的诺贝尔物理学奖。在光子之后，中微子成为宇宙中最多的粒子。地球则持续承受着它们的轰击。

　　许多中微子产生于宇宙射线和地球大气层之间的反应，另一些则在太阳的核反应中产生。每一秒钟，数以万亿的中微子流穿过我们的身体。几乎没有任何东西可以阻碍它们的传递，中微子是自然中最令人难以捉摸的基本粒子。现在全世界都在展开紧张的实验就是为了能够捕捉并研究中微子的性质。关于它们最深层次的秘密的发现将有望改变我们对于宇宙历史、结构和未来命运的理解。

　　中微子研究四个获奖 

　　中科院高能物理所研究员曹俊认为，中微子振荡比较复杂，做出重要贡献的人也很多，仅2002年诺贝尔物理学奖得主小柴昌俊就有三个著名的弟子在中微子振荡领域贡献突出。“在我们外人看来，他们贡献都很重要。现在发给了Kajita，说明Kajita的贡献最突出。”另外他还表示，2002年，诺贝尔委员会已经发了关于中微子的一个奖，当时是发给探测宇宙中微子的，而恰好探测宇宙中微子的两个人，也做出了中微子振荡最早的两个证据，“所以有点重合”。此前还有两次诺贝尔奖发给了中微子，分别是首次发现中微子和发现第二种中微子。

　　那么，中微子为什么这么重要？值得发四个诺奖？

　　曹俊进一步分析：“中微子是标准模型中我们了解最少的粒子，因为它很难探测。粒子物理的理论体系称为标准模型，为了建立这个标准模型，近50年发了十几个诺贝尔奖，中微子是其中研究得最不清楚的，本身还有很多问题没有解决。我觉得以后还会给中微子研究发诺贝尔奖。

　　中微子振荡是目前为止，标准模型中唯一有坚实证据超出标准模型的实验现象。标准模型认为，中微子没有质量，也没有振荡。现在发现它有质量，标准模型需要修改。但怎么改，我们现在还不是特别清楚。

　　中微子小传 

　　中微子是构成物质世界的最基本粒子之一，它关联着宇宙演化的诸多奥秘。

　　中科院物理所研究员曹则贤告诉《知识分子》：“中微子neutrino的名字是意大利语，意思是中性的小东西。在中子变成质子和一个电子的过程中就能产生中微子。中微子产生时，其动能可达到百万电子伏特量级，而物理学家当时猜测，其静止质量在几个或几十电子伏特。现在，物理学家普遍认为，中微子的静止质量上限是0.3电子伏特。”

　　20世纪初，能量和动量守恒定律已被物理学家广泛接受，成为物理学基本定律之一。然而不久之后科学家们发现，中子在衰变成质子和电子（β衰变）时，能量会出现亏损。丹麦物理学家尼尔斯·波尔据此认为，β衰变过程中能量守恒定律失效。

　　曹则贤介绍，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年给出了不同的解释。泡利提出，β衰变过程中可能产生了一种电中性的粒子，不参与通常的电磁相互作用，很难被探测到，而正是它“偷走”了衰变中释放的能量。为避免与已有的中子概念混淆，意大利物理学家费米（E. Fermi）将其正式命名为中微子。

　　此后二十余年，中微子一直都是一个理论概念，未曾得到实验证据。直到1956年，美国科学家柯温（C. Cowan）和莱因斯（F. Reines）利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，第一次从实验上得到中微子存在的证据。

　　随后，物理学家在粒子物理标准模型中，对中微子作出了精确的描述和预言，且指出存在三种中微子，分别对应电子，mu子，tau子这三种轻子，物理上称为三种“味道”。

　　实验物理学家则在中微子探测中发现，来自太阳的中微子数目比理论预言少了近三分之一，成为著名的“太阳中微子问题”。

　　对此，一个可能的解释是，特定“味”的中微子在传播中会转变为不同的“味”，探测到的中微子处于哪个“味”由传播中不断改变的波形决定。意大利理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）首先提出这一猜想，称这一现象为“中微子振荡”。

　　如果中微子有质量，那么它按质量划分也是三种，但一般跟“味道”不会重合，即一种味道的中微子可以看成包含三种不同质量成分的叠加，因此在飞行过程中会发生量子干涉，导致振荡现象。

　　1998年，日本科学家利用超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据。此后，太阳中微子振荡、大气中微子振荡、反应堆中微子振荡、加速器中微子振荡均被科学家的一系列实验所证实。

　　无论对理论物理还是实验物理而言，中微子振荡的发现都非常重要，因为这意味着中微子具有质量，而这与原始的粒子物理标准模型不相吻合。然而，中微子质量的具体数值，至今仍然是未解之谜。

　　中国科学家的探索 

　　“中微子振荡总归会得诺奖，只是早晚的问题而已。”王贻芳评价道。而中科院高能所研究员邢志忠说：“很多年前，大家都在说他们二人会获奖了。”

　　事实上，我国物理学家同样对在中微子振荡领域的研究中做出过重要贡献。

　　复旦大学物理系教授施郁告诉《知识分子》，早在抗战时期，我国物理学家王淦昌就提出探测中微子方法，发表在《物理学评论》上。

　　据曹俊介绍，此次获奖的太阳中微子实验成果，其方法是加州大学尔湾分校的华人物理学家陈华森（Herbert Chen）提出的，1985年发表在《物理评论快报》上，后来被加拿大萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）采用，用重水同时探测三种中微子，确凿无疑地证实了太阳中微子振荡。

　　另外，王贻芳回国后的工作一直与中微子振荡有关。2012年3月8日，王贻芳领衔的大亚湾中微子实验国际合作组宣布，首次实验发现了中微子的第三种振荡模式。这一发现被美国《科学》杂志评为2012年度世界十大科学突破，并评价说，该工作打开了中微子下一步发展的大门，很可能为宇宙的现状提供了一种解释。

　　来自大亚湾的发现，不仅让人们更加理解基本粒子的物理规律，还使得科学家能够利用现有技术手段，开始研究宇宙中的反物质消失之谜。这无疑让全世界的物理学家感到兴奋。

　　目前，中微子领域还有很多问题有待解决。“还有很多重要工作要做，包括测量中微子其他的性质，如中微子质量顺序，中微子CP破坏（即电荷宇称不对称性）等。”

　　（特别致谢：王贻芳（中科院高能物理所研究员）、曹俊（中科院高能物理所研究员）、曹则贤（中科院物理所研究员）、施郁（复旦大学物理系教授）、王承志（中科院生物物理研究所助理研究员）、段兆晨（中国科学技术大学博士研究生）、赵佳媛（复旦大学博士研究生）、王鑫（北大硕士研究生）、叶水送、陈晓雪）