[解放网]诺贝尔物理学奖： 为何第四次颁给“生命中不能承受之轻”

日本、加拿大科学家因对“中微子振荡”的发现，分享了2015年度诺贝尔物理学奖。事实上，正是该项研究，令人类认识到，这曾一度被認為質量为零的粒子，还是有质量的，也是已知物理世界中最轻的粒子，甚至不及电子的百万分之一。  

统计显示，这已是诺贝尔奖第四次垂青这“生命中不能承受之轻”。  

每秒钟有数亿中微子正穿透你的身体

当许多读者对中微子感到陌生的时候，可曾知道，作为构成物质世界的基本粒子之一，每秒钟有数亿中微子正穿透我们的身体。不过不用担心，它仅仅是穿透而已。参与中国中微子大型实验项目研究的上海交大副教授刘江来，举了一个更近的例子，“我们常吃的香蕉，其中含有钾元素，其在自然界的β衰变，中微子就是关键参与力量。”  

他介绍，目前发现具有三种种类的中微子还有一个名字，叫做“幽灵粒子”，不仅因为它十分微小，更因为其本身不带电荷的属性，因此几乎不与其它粒子发生相互作用，即使遭遇原子，也是直接穿透。在物理学界，也正因其难以捕捉、观测，而愈显神秘。  

1995年至今，已有四次诺贝尔奖颁给了在这一领域做出关键性贡献的人，其中包括1956年直接观测到中微子的美国科学家莱因斯和柯万；1962年发现第二种中微子的美国人莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格等。1968年，美国科学家戴维斯发现来自太阳的中微子有失踪现象，19年后，日本的小柴昌俊发现了来自宇宙超新星的中微子，由此两人分享2002年诺贝尔奖。值得一提的是，后者的学生梶田隆章，也是今年物理学奖的得主之一。  

1998年，他领衔的日本超级神冈实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。“从这一结论反向推演，如果中微子是没有质量的，那么它在运动中各个维度的速度将保持一致，形成的形态也不会发生变化，反之，若形态发生变化，便可间接证明中微子具有微小的质量。”刘江来说，“它的意义在于，为物理学，特别是粒子物理学研究，推开了一扇新窗。”目前，中微子振荡的“变脸”原理尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。  

中国人初探“第三种震荡之谜”

“我挺佩服阿瑟·麦克唐纳的，”上海交大鸿文讲席教授 ，粒子物理宇宙学研究所所长季向东与此次获奖的另一位加拿大科学家相熟，他记得，阿瑟是放弃美国普林斯顿大学的教席，下决心回加拿大主导中微子研究项目的。“他能在那么短时间内取得进展，我很为他高兴，”季教授说，此前的交流中，阿瑟对中国近年来在中微子研究领域的进展也给予许多祝福，“都希望这个领域越来越热。”  

中微子已知有三种类型，学界将其简称为“1”、“2”、“3”，在对振荡的研究中，“1变2”、“2变3”的模式已被实验证实，而最后这“1变3”的第三种振荡之谜，正由中国科学家推开大门。  

2012年，我国大亚湾中微子实验首席科学家、中科院高能物理研究所所长王贻芳宣布，课题组发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。这一重要成果是对物质世界基本规律的一项新的认识，由中国主导、美国等国科学家参与的该项成果同时在国际权威学刊《物理评论快报》发表。  

这个“1变3”的振荡几率究竟是多少？参与此项目的刘江来介绍，由于这个数值极其微小，此前共有3个实验得到了不等于零的值，但置信度都不高，且仅仅给出了模糊上限。而在粒子物理实验中，置信度必须达到 5 个标准差才算发现，也就是说置信度必须达到 99.9999%。采用自主设计的实验装置，中国团队做到了这99.9999%的置信度，给振荡几率一个8-9之间的具体数值。  

中微子振荡，已成兵家必争之地

专家指出，这一实验结果是中国在中微子研究领域的突破之举，更有望对破解“反物质消失之谜”带来推动作用。据了解，宇宙诞生之初，产生了等量的正物质和反物质。构成反物质的质子、电子等基本粒子的正负属性，与正物质完全相反，因此正、反物质会相互湮灭。但如今人类认知的物质世界几乎都是正物质，理应与之对应的反物质似乎“消失”了。而事实上，第三种中微子振荡可能对正、反物质的对称性产生了一定破坏影响，造成两者的理论对称性与观测对称性大不相符，对其探究的重要性，可见一斑。  

“中微子振荡，已成物理学研究领域的‘最热点’之一，”上海大学物理系教授、博导张金仓教授说，多项国际合作的大型实验研究项目，正在世界各地推进，竞争激烈。  

其中，美国主导的PINGU项目，在南极冰下建立探测器，利用埋在南极冰下的粒子探测器，捕捉到源自太阳系外的高能中微子，并对其三种类型的质量进行比较。同时，美国国内的NOVA项目，日本的T2K项目，以及印度的INO项目，均聚焦这一热点领域。  

今年1月，被称为“大亚湾二期实验”的我国江门中微子实验启动。目前组建的国际合作组，已有中国、意大利、法国、德国、俄罗斯等国家和地区的320多位研究人员参加实验。预计在建成后的2020年，科学家们有望在这里，通过原创性试验方案，开展中微子质量研究，从中了解物质微观的基本结构和宏观宇宙的起源与演化。据悉，实验将建设位于地下700米的地下洞室，实验装置没有放射性，不会对环境造成污染。    

来源：解放网 2015.10.06  

原文： 诺贝尔物理学奖： 为何第四次颁给“生命中不能承受之轻”