看“粒子世界的蜕变”—2015年诺贝尔物理学奖解读

张梦然

梶田隆章

日本物理学家、天文学家。出生于日本埼玉县，埼玉大学理学部物理学科毕业，理学博士（东京大学）。现任东京大学宇宙线研究所所长、同研究所附属宇宙中微子观测信息融合中心负责人。

阿瑟·麦克唐纳

加拿大物理学家，在达尔豪西大学获物理学士、硕士学位，并于加州理工学院获物理学博士学位。1970年至1982年任渥太华西北的乔克·里弗核实验室研究员。1982年至1989年在普林斯顿大学任物理学教授，后加入女王大学。目前是女王大学大学研究主席。

日本岐阜县一个深达1000米的废弃砷矿中，超级神冈探测器盛了5万吨超纯水，正寻觅着来自太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。1998年，物理学家梶田隆章率先发现，中微子在抵达超级神冈探测器的过程中似乎存在转化的现象，即中微子形式发生了某种改变。

与此同时，在地球另一端，加拿大萨德伯里中微子天文台在2000多米深的镍矿中展开了他们的研究。2001年，该机构下由阿瑟·麦克唐纳领导的团队发现，太阳中微子也存在相似的转变现象。

这两项实验结果导致一种新现象被发现—中微子振荡。其产生了更深远的结论：长期以来被认为是没有质量的中微子，竟然是有质量的。无论对于粒子物理学本身，还是我们正尝试理解的宇宙，这一结论都具有极其重要的意义。

不露面，它却无处不在

人类生活在一个中微子充斥其间的世界。每一秒，都会有无数的中微子穿过我们的身体，而我们无视、无知、无觉。

这种粒子以接近光的速度在宇宙中肆意冲撞，却几乎不与任何物质发生反应。它到底是何方神圣？

目前，我们知道它们一部分来自那场久远的宇宙大爆炸，其余的则源源不断地产生于各种发生在空间包括地球中的反应过程，大到超新星爆发、恒星消亡，小至核设施内的核反应，或者自然界中的放射性衰变，甚至我们体内一个同位素钾的衰变都将释放出约5000个中微子—当然了，大部分来到地球的中微子，基本上是太阳的“馈赠”。它也是整个宇宙中数量第二多的粒子，仅次于光子。

然而一直以来，对于中微子的存在与否，始终存有争议。1930年它就被预言，但预言者自己都将信将疑。直到1956年，美国物理学家才成功监测到了中微子的运动轨迹，宣告了这一“鬼灵”粒子真实存在。

三重奏，修正标准模型

但在证实存在之后，另一个严重问题砸下来：我们数不对中微子的总数。彼时科学家已经能够在理论上计算出太阳产生的中微子数量，然而相对于此，似乎有多达三分之二的中微子在到达地球前失踪了。

科学家一度怀疑是计算太阳中微子数量的理论公式有问题，但另一种意见开始浮上水面，那就是中微子能够改变自己的“身份”。

依照粒子物理学的标准模型，中微子有“三重奏”：电子中微子、μ（缪子）中微子和τ（陶子）中微子。太阳只产生电子中微子，因而在前往地球的路程中，电子中微子“改头换面”为其他两种，才造成了数量统计上的差池。

正是梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳的实验向我们证明，这些中微子“身份”确实转变了。这种改变需要中微子有质量，虽然质量极小，但对粒子物理学来说，却是一个历史性的发现。

原因无他，标准模型关于物质内部运作的描述一度非常成功，在20多年的时间里成功抵制住了所有实验的挑战，而新的观察结果已经清楚地表明，标准模型不能完成关于宇宙基本组成的理论描绘。

这是中微子发现之初谁也不曾预见的，如此微小的粒子，会同时颠覆了粒子物理学与宇宙学。

中微子，继续改变世界

随着大型精密观测设施的投入使用，人们已有能力观察中微子三种类型间的互相变化。如今，这些为了屏蔽宇宙辐射以及自然衰变等噪音干扰而深埋地下的科学仪器，夜以继日地运转着，将微小又多变的中微子，从无数其他粒子中准确地甄别出来。这个过程非常不容易，仅一丝微小的干扰，都会影响观测的准确性。

10月6日，瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予了梶田隆章及阿瑟·麦克唐纳，不仅由于他们对物理学领域所作出的学术贡献，还在于他们领导的团队，克服重重困难后成功揭开了中微子这只“变色龙”的变身奥秘。

诺贝尔奖评选委员会在声明中称，该研究为“粒子世界的蜕变”。梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳的发现同时改变了人类对物质内层运作的看法，并将验证我们对于宇宙的理解。他们帮助人们打开了中微子神秘世界的大门，使得全世界围绕中微子展开的种种实验与研究，得以继续热烈地进行下去。逐渐涌现的成果让我们相信，中微子即将带来的发现，将改变人类对于历史、科学乃至整个宇宙未来命运的认识。

（本文转自《科技日报》）