從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)觀“中微子”的前世今生

張玲玉　許小濤

摘要：瑞典皇家科學(xué)院將2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家梶田隆章以及加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們?cè)谥形⒆淤|(zhì)量研究的貢獻(xiàn).二位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的現(xiàn)象，從而證明中微子也有質(zhì)量.時(shí)隔13年“中微子”第4次登上了世界最高物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，諾貝爾獎(jiǎng)在獎(jiǎng)勵(lì)“中微子”所取得的重要成果的同時(shí)也“記錄”了它的發(fā)展歷程.本文圍繞該領(lǐng)域所獲得的4塊諾貝爾獎(jiǎng)，給人們介紹了中微子的基本特征并展現(xiàn)了中微子艱難的探索歷程.

關(guān)鍵詞：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；中微子；物理學(xué)史

1“中微子”的基本特征

中微子其字面上的意義為“微小的電中性粒子”，又譯作微中子，是輕子的一種，其自旋量子數(shù)為12.很多中微子在宇宙射線與大氣層之間作用中產(chǎn)生，其他中微子在太陽內(nèi)部核反應(yīng)中產(chǎn)生.中微子有三種：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分別對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的輕子：電子、μ 子和τ 子.所有中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但參與弱相互作用.標(biāo)準(zhǔn)模型的假設(shè)里中微子的靜止質(zhì)量為零，但可以通過修改標(biāo)準(zhǔn)模型使中微子有非零的質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)表明，中微子確實(shí)微小但質(zhì)量并不為零.

中微子沒有通常意義上的反粒子.其中反電子中微子是β衰變的副產(chǎn)品.目前觀察到中微子只有左旋，而反中微子只有右旋.反中微子如同中微子只參與弱相互作用及重力作用.由于中微子不帶電荷，其可能即是自己的反粒子.帶有這種性質(zhì)的粒子稱作馬悠拉納粒子.如果中微子確實(shí)是馬悠拉納粒子，我們便有機(jī)會(huì)觀察到不放出中微子的雙重β衰變.有許多實(shí)驗(yàn)試圖去尋找這類的反應(yīng)過程.

2“中微子”的探索歷程

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利為了解釋?duì)滤プ冎械乃^“能量危機(jī)”（即在β衰變過程中，電子的能譜是連續(xù)的，而不像α衰變、γ衰變那樣，能譜是分立的.）提出了“中微子”的假設(shè)[1] [2] [3].1956 年，克萊德·柯溫（Clyde Cowan）和弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，觀測(cè)到了中微子誘發(fā)的反應(yīng)，這是第一次從實(shí)驗(yàn)上得到中微子存在的證據(jù)[1] [2] [3]. 此時(shí)，距泡利首次提出中微子假說整整過去了26年.近40年后，萊因斯與發(fā)現(xiàn)τ子的美國物理學(xué)家馬丁·珀?duì)枺∕artin Perl）分享了1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).但遺憾的是，柯溫已于1974年去世了，否則他也有機(jī)會(huì)獲此殊榮.

1962年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家利昂·M·萊德曼等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”（量子數(shù)）的屬性，證實(shí)了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子.他們也因此獲得1988 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[4].2000年7月21日，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了τ 子中微子存在的證據(jù).

1968 年，美國物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯等人在美國南達(dá)科他州的Homestake地下金礦中建造了一個(gè)大型中微子探測(cè)器，通過探測(cè)發(fā)現(xiàn)，來自太陽的中微子不到理論預(yù)言的13，這讓科學(xué)家們大惑不解，一方面尋找理論計(jì)算中的錯(cuò)誤和漏洞，另一方面重復(fù)實(shí)驗(yàn)，持續(xù)測(cè)量了30多年.測(cè)量結(jié)果始終沒有改變，其它實(shí)驗(yàn)組也相繼做了類似的實(shí)驗(yàn)，都得到相同的結(jié)果.這就是太陽中微子丟失問題.

1982 年，日本科學(xué)家小柴昌俊在一個(gè)深達(dá) 1000米的廢棄砷礦中領(lǐng)導(dǎo)建造了神岡探測(cè)器，最初目標(biāo)是探測(cè)質(zhì)子衰變，也可以利用中微子在水中產(chǎn)生的切連科夫輻射來探測(cè)中微子.1987年2月，在銀河系的鄰近星系大麥哲倫云中發(fā)生了超新星1987A的爆發(fā).日本的神岡探測(cè)器和美國的Homestake探測(cè)器幾乎同時(shí)接收到了來自超新星1987A的19個(gè)中微子，這是人類首次探測(cè)到來自太陽系以外的中微子，在中微子天文學(xué)的歷史上具有劃時(shí)代的意義.

2001 年，加拿大的薩德伯里中微子觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱“SNO”）發(fā)表了測(cè)量結(jié)果，探測(cè)到了太陽發(fā)出的全部三種中微子，證實(shí)了太陽中微子在達(dá)到地球途中發(fā)生了相互轉(zhuǎn)換，三種中微子的總流量與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型的預(yù)言符合得很好，基本解決了太陽中微子缺失的問題.

雷蒙德·戴維斯超越時(shí)代的實(shí)驗(yàn)結(jié)果終于在34年后才終于被人們所理解，他和小柴昌俊因在中微子天文學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

3“中微子”的重大突破

物理學(xué)家梶田隆章以及阿瑟·麥克唐納分別來自兩個(gè)大型研究團(tuán)隊(duì)：超級(jí)神岡探測(cè)器團(tuán)隊(duì)以及薩德伯里中微子觀測(cè)站團(tuán)隊(duì)，他們發(fā)現(xiàn)了中微子在飛行過程中的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象[5] [6] [7].解決了中微子之謎，從而開啟了粒子物理學(xué)研究的嶄新篇章.因此兩位科學(xué)家獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

梶田隆章（Kajita Takaaki），1959年出生在日本埼玉縣，埼玉大學(xué)理學(xué)部物理學(xué)科畢業(yè)，東京大學(xué)理學(xué)博士.日本物理學(xué)家、天文學(xué)家，現(xiàn)任東京大學(xué)宇宙線研究所所長(zhǎng)、同時(shí)擔(dān)任研究所附屬宇宙中微子觀測(cè)信息融合中心負(fù)責(zé)人.多次獲得物理學(xué)相關(guān)獎(jiǎng)項(xiàng)，1988年獲“朝日獎(jiǎng)”（集體獲獎(jiǎng)）、1989年獲布魯諾·羅西獎(jiǎng)（集體獲獎(jiǎng)）、1999年再次獲“朝日獎(jiǎng)”（集體獲獎(jiǎng)）及第45屆“仁科芳雄獎(jiǎng)”、2002年和老師小柴昌俊、戶塚洋二，共同獲得“潘諾夫斯基實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)獎(jiǎng)”、2010年獲“第1屆戶塚洋二獎(jiǎng)”、2012年獲“日本學(xué)士院獎(jiǎng)”.

阿瑟·麥克唐納（Arthur B McDonald），1943年8月29日出生在新斯科舍省悉尼，加拿大物理學(xué)家、薩德伯里中微子天文臺(tái)研究所主任.他還是女王大學(xué)戈登和帕特里夏灰色粒子天體物理主席.1964年在達(dá)爾豪西大學(xué)獲物理學(xué)士，1965年獲碩士學(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.2007年，麥克唐納和戸塚洋二被授予富蘭克林獎(jiǎng)?wù)?

20世紀(jì)90年代，神岡探測(cè)器經(jīng)過改造，名為超級(jí)神岡探測(cè)器，容量擴(kuò)大了十倍.超級(jí)神岡探測(cè)器主要探測(cè)大氣中微子.當(dāng)一個(gè)中微子與巨型水槽中的水分子發(fā)生相撞時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的帶電粒子.這一過程將產(chǎn)生所謂“切倫科夫光”，而這種閃光將被安裝在水槽周圍的探測(cè)器捕捉到.這種切倫科夫光的形態(tài)和強(qiáng)度能夠告訴科學(xué)家們發(fā)生碰撞的中微子的類型以及它的來源.測(cè)量結(jié)果顯示來自頭頂上方大氣中的μ中微子數(shù)量要比來自腳底下，穿越整個(gè)地球而來的中微子數(shù)量更多，這一結(jié)果表明那些穿越整個(gè)地球的μ中微子擁有足夠的時(shí)間發(fā)生了某種轉(zhuǎn)變.

1998年超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)人之一，小柴昌俊先生的學(xué)生梶田隆章率領(lǐng)的日本超級(jí)神岡探測(cè)器團(tuán)隊(duì)宣布找到了中微子振蕩的證據(jù)，即中微子在不同“味”之間發(fā)生了轉(zhuǎn)換（電子中微子和μ子中微子間變換），表明三種中微子是可以相互轉(zhuǎn)換的，為解決太陽中微子問題指明了道路.這種現(xiàn)象只在中微子的靜止質(zhì)量不為零時(shí)才會(huì)發(fā)生.然而這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能測(cè)出不同“味”的中微子質(zhì)量之差，尚不能測(cè)得其絕對(duì)質(zhì)量.

與此同時(shí)，在地球的另一端，加拿大薩德伯里中微子觀測(cè)站的科學(xué)家們正在開展對(duì)來自太陽的中微子的研究工作.2001年8月，在麥克唐納的領(lǐng)導(dǎo)下，依據(jù)安大略省薩德伯里中微子天文臺(tái)地下2100米的檢測(cè)設(shè)施的觀測(cè)結(jié)果，可推論出來自太陽的電中微子振蕩成為μ介子和τ中微子.

于是這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果導(dǎo)致了一種新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)——中微子振蕩.而更進(jìn)一步的意義還在于，曾經(jīng)長(zhǎng)期被認(rèn)為是沒有質(zhì)量的中微子其實(shí)是有質(zhì)量的.這不管是對(duì)于粒子物理學(xué)還是對(duì)于我們理解宇宙的本質(zhì)都具有極重要的意義.

4“中微子”的未解之謎

有關(guān)“中微子”逐漸涌現(xiàn)的成果和獲得的殊榮，讓我們相信，中微子即將帶來的發(fā)現(xiàn)，將改變?nèi)祟悓?duì)于歷史、科學(xué)乃至整個(gè)宇宙未來命運(yùn)的認(rèn)識(shí).然而有關(guān)中微子還有很多未解之謎尚待后人為之繼續(xù)探索.

2011年9月，意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱“LNGS”）旗下的OPERA實(shí)驗(yàn)室宣布觀測(cè)結(jié)果，并刊登于英國《自然》雜志.研究人員發(fā)現(xiàn)，中微子的移動(dòng)速度比光速還快.根據(jù)這項(xiàng)對(duì)中微子的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)平均能級(jí)達(dá)到17 GeV的μ中微子從CERN（“歐洲核子研究所”）走到LNGS，所需的時(shí)間比光子在真空移動(dòng)的速度還要快607納秒，即以光速的 10000248倍運(yùn)行，是實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差10納秒的六倍，“比光速快6公里”.

對(duì)此，研究者認(rèn)為，這可能意味著這些中微子是以比光速快的速度運(yùn)行.根據(jù)愛因斯坦狹義相對(duì)論，光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質(zhì)可以超越光速.如果此次研究結(jié)果被驗(yàn)證為真，意味著奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)將遭到嚴(yán)重挑戰(zhàn).這一最新發(fā)現(xiàn)可能推翻愛因斯坦的經(jīng)典理論.這是令人感興趣的結(jié)果，但它科學(xué)上的準(zhǔn)確性，還要更多的實(shí)驗(yàn)才能驗(yàn)證.

5“中微子”的應(yīng)用展望

中微子不帶電荷、穩(wěn)定、靜止質(zhì)量可以作為零.中微子十分微小，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的場(chǎng)力都無法作用其上，它在任何場(chǎng)地奔跑，也不會(huì)發(fā)生反射、折射和散射.從太陽發(fā)射出的中微子幾乎毫無阻攔地穿過太陽和地球.因此用它來傳遞信息可以沖破水下通信和地下通信這兩個(gè)電磁波通信的禁區(qū).

目前最方便有效的通信工具是無線電波.長(zhǎng)波、中波用于中短距離通信；短波依靠地球大氣層中電離層的反射，可以進(jìn)行全球通信；微波可以進(jìn)行接力通信、衛(wèi)星通信和散射通信.

但是，從軍事上考慮上述通信方法有兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是保密性差，無線電波發(fā)射出去，誰都能接收；二是無線電波容易受到太陽黑子、雷電和人為的干擾.中微子就沒有這些弊端，中微子束可以穿過地球而毫無阻攔，實(shí)現(xiàn)地球乃至外層空間中任意兩點(diǎn)之間進(jìn)行直線通信.

參考文獻(xiàn)：

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