看“粒子世界的蛻變”—2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

張夢(mèng)然

梶田隆章

日本物理學(xué)家、天文學(xué)家。出生于日本埼玉縣，埼玉大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科畢業(yè)，理學(xué)博士（東京大學(xué)）。現(xiàn)任東京大學(xué)宇宙線研究所所長(zhǎng)、同研究所附屬宇宙中微子觀測(cè)信息融合中心負(fù)責(zé)人。

阿瑟·麥克唐納

加拿大物理學(xué)家，在達(dá)爾豪西大學(xué)獲物理學(xué)士、碩士學(xué)位，并于加州理工學(xué)院獲物理學(xué)博士學(xué)位。1970年至1982年任渥太華西北的喬克·里弗核實(shí)驗(yàn)室研究員。1982年至1989年在普林斯頓大學(xué)任物理學(xué)教授，后加入女王大學(xué)。目前是女王大學(xué)大學(xué)研究主席。

日本岐阜縣一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中，超級(jí)神岡探測(cè)器盛了5萬(wàn)噸超純水，正尋覓著來(lái)自太陽(yáng)、地球大氣和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子。1998年，物理學(xué)家梶田隆章率先發(fā)現(xiàn)，中微子在抵達(dá)超級(jí)神岡探測(cè)器的過(guò)程中似乎存在轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，即中微子形式發(fā)生了某種改變。

與此同時(shí)，在地球另一端，加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)在2000多米深的鎳礦中展開(kāi)了他們的研究。2001年，該機(jī)構(gòu)下由阿瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)中微子也存在相似的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)致一種新現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)—中微子振蕩。其產(chǎn)生了更深遠(yuǎn)的結(jié)論：長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是沒(méi)有質(zhì)量的中微子，竟然是有質(zhì)量的。無(wú)論對(duì)于粒子物理學(xué)本身，還是我們正嘗試?yán)斫獾挠钪妫@一結(jié)論都具有極其重要的意義。

不露面，它卻無(wú)處不在

人類(lèi)生活在一個(gè)中微子充斥其間的世界。每一秒，都會(huì)有無(wú)數(shù)的中微子穿過(guò)我們的身體，而我們無(wú)視、無(wú)知、無(wú)覺(jué)。

這種粒子以接近光的速度在宇宙中肆意沖撞，卻幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。它到底是何方神圣？

目前，我們知道它們一部分來(lái)自那場(chǎng)久遠(yuǎn)的宇宙大爆炸，其余的則源源不斷地產(chǎn)生于各種發(fā)生在空間包括地球中的反應(yīng)過(guò)程，大到超新星爆發(fā)、恒星消亡，小至核設(shè)施內(nèi)的核反應(yīng)，或者自然界中的放射性衰變，甚至我們體內(nèi)一個(gè)同位素鉀的衰變都將釋放出約5000個(gè)中微子—當(dāng)然了，大部分來(lái)到地球的中微子，基本上是太陽(yáng)的“饋贈(zèng)”。它也是整個(gè)宇宙中數(shù)量第二多的粒子，僅次于光子。

然而一直以來(lái)，對(duì)于中微子的存在與否，始終存有爭(zhēng)議。1930年它就被預(yù)言，但預(yù)言者自己都將信將疑。直到1956年，美國(guó)物理學(xué)家才成功監(jiān)測(cè)到了中微子的運(yùn)動(dòng)軌跡，宣告了這一“鬼靈”粒子真實(shí)存在。

三重奏，修正標(biāo)準(zhǔn)模型

但在證實(shí)存在之后，另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題砸下來(lái)：我們數(shù)不對(duì)中微子的總數(shù)。彼時(shí)科學(xué)家已經(jīng)能夠在理論上計(jì)算出太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子數(shù)量，然而相對(duì)于此，似乎有多達(dá)三分之二的中微子在到達(dá)地球前失蹤了。

科學(xué)家一度懷疑是計(jì)算太陽(yáng)中微子數(shù)量的理論公式有問(wèn)題，但另一種意見(jiàn)開(kāi)始浮上水面，那就是中微子能夠改變自己的“身份”。

依照粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子有“三重奏”：電子中微子、μ（繆子）中微子和τ（陶子）中微子。太陽(yáng)只產(chǎn)生電子中微子，因而在前往地球的路程中，電子中微子“改頭換面”為其他兩種，才造成了數(shù)量統(tǒng)計(jì)上的差池。

正是梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的實(shí)驗(yàn)向我們證明，這些中微子“身份”確實(shí)轉(zhuǎn)變了。這種改變需要中微子有質(zhì)量，雖然質(zhì)量極小，但對(duì)粒子物理學(xué)來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)歷史性的發(fā)現(xiàn)。

原因無(wú)他，標(biāo)準(zhǔn)模型關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)作的描述一度非常成功，在20多年的時(shí)間里成功抵制住了所有實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)，而新的觀察結(jié)果已經(jīng)清楚地表明，標(biāo)準(zhǔn)模型不能完成關(guān)于宇宙基本組成的理論描繪。

這是中微子發(fā)現(xiàn)之初誰(shuí)也不曾預(yù)見(jiàn)的，如此微小的粒子，會(huì)同時(shí)顛覆了粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)。

中微子，繼續(xù)改變世界

隨著大型精密觀測(cè)設(shè)施的投入使用，人們已有能力觀察中微子三種類(lèi)型間的互相變化。如今，這些為了屏蔽宇宙輻射以及自然衰變等噪音干擾而深埋地下的科學(xué)儀器，夜以繼日地運(yùn)轉(zhuǎn)著，將微小又多變的中微子，從無(wú)數(shù)其他粒子中準(zhǔn)確地甄別出來(lái)。這個(gè)過(guò)程非常不容易，僅一絲微小的干擾，都會(huì)影響觀測(cè)的準(zhǔn)確性。

10月6日，瑞典皇家科學(xué)院將2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了梶田隆章及阿瑟·麥克唐納，不僅由于他們對(duì)物理學(xué)領(lǐng)域所作出的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，還在于他們領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，克服重重困難后成功揭開(kāi)了中微子這只“變色龍”的變身奧秘。

諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在聲明中稱，該研究為“粒子世界的蛻變”。梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的發(fā)現(xiàn)同時(shí)改變了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)內(nèi)層運(yùn)作的看法，并將驗(yàn)證我們對(duì)于宇宙的理解。他們幫助人們打開(kāi)了中微子神秘世界的大門(mén)，使得全世界圍繞中微子展開(kāi)的種種實(shí)驗(yàn)與研究，得以繼續(xù)熱烈地進(jìn)行下去。逐漸涌現(xiàn)的成果讓我們相信，中微子即將帶來(lái)的發(fā)現(xiàn)，將改變?nèi)祟?lèi)對(duì)于歷史、科學(xué)乃至整個(gè)宇宙未來(lái)命運(yùn)的認(rèn)識(shí)。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》）