无影无踪的幽灵粒子 四次获得诺奖青睐
10月6日，瑞典皇家科学院宣布将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。这是88年以来，中微子领域研究第四次获得诺贝尔物理学奖的青睐。中微子振荡的发现为何能获得2015年诺贝尔物理奖？中微子具有很多哪些奇特性质？中国的中微子实验取得哪些成果和最新进展？
对中微子的研究是近几十年来物理研究的重大前沿方向之一，然而其实验研究却是相当困难。10月8日晚上，来自上海交通大学的两位权威专家——上海交大粒子物理宇宙学研究所所长、鸿文讲席教授季向东和副所长刘江来特别研究员，为百余名学子解读中微子研究成果和最新进展，中微子在认识微观世界本质过程中起到什么作用，以及两位科学家从事的中微子振荡研究为何有资格获得今年的诺奖。
无处不在的“幽灵粒子”源于不确定的假说
人类其实生活在一个中微子充斥其间的世界，它是整个宇宙中数量第二多的粒子，仅次于光子。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。它是名副其实的“幽灵粒子”，以接近光的速度自由穿越地球，且几乎不和普通物理发生相互作用（只有弱作用），所以探测起来非常困难。因为质量远不如“哥哥”电子，季向东教授便将中微子形象的比喻为电子的“双胞胎妹妹”。
虽然中微子无处不在，但为了证明其存在，一代代科学家们为之付出了数十年的努力。幽灵粒子的诞生起初只是一个假说，科学家们观察到贝塔衰变中存在初态与末态之间的能量不守恒问题，而这种现象始终无法得到科学的解释。对此，Pauli在1930年假设了一种可能性：在理论上假定存在一个看不见的粒子，带走了初末态之间能量差值。但其实预言者Pauli对此也是将信将疑的。直到1956年，Clyde Cowan和Frederick Reins才成功探测到了中微子的存在，宣告了这一“幽灵粒子”的真实存在，该成果在1995年被授予诺贝尔物理学奖。
后来，科学家Leon M. Lederman, Melvin Schwartz 和Jack Steinberger 于1961年首次探测到了穆子中微子，证实了存在不止一种中微子，因此获得了1988年诺贝尔物理学奖。
中微子领域的第三个诺奖于2004年颁给了Raymond Davis和Masatoshi Koshiba，前者是太阳中微子探测方面的先驱，后者则首次实时观测到“天外来客”—超新星中微子。太阳中微子探测和超新星中微子的探测标志着中微子天文学的开始。
借助地下深处的“庞然大物”捕捉中微子身影
科学的研究方法都是先有数据，再有理论，而在理论之上要有新的预言。加拿大萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory，缩写为SNO）实验与日本超级神冈实验（Super-Kamiokande）便解释、验证了新的预言：它们直接证实了太阳中微子的缺失是来自量子力学的振荡现象；并且发现了一个新的、大气中微子的振荡模式并且存在质量。因此，在刘江来特别研究员的眼中，今年的诺贝尔物理学奖可谓实至名归。
SNO实验采用重水中微子探测器，该设想最初是由一名加州大学欧文分校的中国学者陈华森（1942-1987）提出，其主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水，容器壁用丙烯酸树脂制成，厚度为5厘米，容器的周围安装了9600个光电倍增管，用于探测伦科夫辐射的光子。探测器安装在安大略省萨德伯里附近的一个矿井里，深度达到6800英尺（2100米），这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽，以减轻干扰。2001年，SNO的测量结果表明太阳中微子在到达地球途中，三类中微子之间发生了相互转化，即中微子振荡。
梶田隆章领导的超级神冈实验是对其导师Masatoshi Koshiba领导的神冈实验的升级。20世纪90年代，神冈探测器经过再次扩建后，将升级前的3000吨水切伦科夫探测器扩充至50000吨水切伦科夫探测器，从而灵敏度得到大大增强。它位于日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，每个光电倍增管直径达0.5米，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切伦科夫辐射。梶田隆章便是借助此“庞然大物”发现了穆子中微子可以转换成其他的振荡现象，从而首次在世界上捕捉到了中微子的质量。而在标准模型中，中微子被认为是没有重量的，这一颠覆基本粒子物理学定论的结果，震惊国际学界。
我国该领域研究达到世界先进水平
原则上三种中微子之间相互振荡、两两组合，应有三种模式，其中大气中微子振荡和太阳中微子振荡已被超级神冈实验、SNO实验等多个实验证明，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在（即其振荡几率为零）。2012年，由中国科学院高能物理研究所主导的大亚湾中微子实验组率先发现了第三种中微子振荡现象，并精确测量到该振荡几率，被国际同行专家认为是“完美的确认和漂亮的结果”。其中上海交大参与科研的团队承担着刻度系统的安装、调试、取数和物理分析工作，为帮助测量出新的中微子振荡几率，为取得这一世界性成果做出了关键性贡献。
此外，由季向东教授领导的PandaX-III实验正在通过双贝塔衰变研究中微子是不是它本身的反粒子，是该领域研究中最有希望的实验之一。目前国际上有十多个实验都在向吨量级发展研究双贝塔衰变，美国计划在未来10年进行重大资金投入作为支持。虽然这个衰变过程至今还没观测到，但其实验结果对人们理解宇宙的形成和演化具有十分重大的作用。
季向东表示，中微子物理应该有更多的发现，希望中国人未来能在这个领域作出重大贡献。他认为，大学应该鼓励以好奇心驱动为主的研究，历史上很多意义重大的科学发明都起源于人们的好奇心，每个科学发现或许起初缺乏实际用途，但从长远来看都会对现实生活发生重大影响。科学家们可能是在寻找一个完全不存在的梦想，但你要相信自己会有幸运的时候，便能收获美妙的成果。正如今年获奖者阿瑟·麦克唐纳所说：当你的探测器运行的时候，你在屏幕前静静地等待来自于太阳中心的粒子闯入探测器中发出的这微弱的光，它们在向你诉说给予我们能量的核反应的故事。你可以测量这些中微子，并通过分析它们探究自然界中深奥的秘密，这是一个无比美妙的经历。
来源：《中国青年报》 2015.10.09