看“粒子世界的蛻變”—2015年諾貝爾物理學獎解讀

張夢然

梶田隆章

日本物理學家、天文學家。出生于日本埼玉縣，埼玉大學理學部物理學科畢業，理學博士（東京大學）。現任東京大學宇宙線研究所所長、同研究所附屬宇宙中微子觀測信息融合中心負責人。

阿瑟·麥克唐納

加拿大物理學家，在達爾豪西大學獲物理學士、碩士學位，并于加州理工學院獲物理學博士學位。1970年至1982年任渥太華西北的喬克·里弗核實驗室研究員。1982年至1989年在普林斯頓大學任物理學教授，后加入女王大學。目前是女王大學大學研究主席。

日本岐阜縣一個深達1000米的廢棄砷礦中，超級神岡探測器盛了5萬噸超純水，正尋覓著來自太陽、地球大氣和超新星爆發產生的中微子。1998年，物理學家梶田隆章率先發現，中微子在抵達超級神岡探測器的過程中似乎存在轉化的現象，即中微子形式發生了某種改變。

與此同時，在地球另一端，加拿大薩德伯里中微子天文臺在2000多米深的鎳礦中展開了他們的研究。2001年，該機構下由阿瑟·麥克唐納領導的團隊發現，太陽中微子也存在相似的轉變現象。

這兩項實驗結果導致一種新現象被發現—中微子振蕩。其產生了更深遠的結論：長期以來被認為是沒有質量的中微子，竟然是有質量的。無論對于粒子物理學本身，還是我們正嘗試理解的宇宙，這一結論都具有極其重要的意義。

不露面，它卻無處不在

人類生活在一個中微子充斥其間的世界。每一秒，都會有無數的中微子穿過我們的身體，而我們無視、無知、無覺。

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發生反應。它到底是何方神圣？

目前，我們知道它們一部分來自那場久遠的宇宙大爆炸，其余的則源源不斷地產生于各種發生在空間包括地球中的反應過程，大到超新星爆發、恒星消亡，小至核設施內的核反應，或者自然界中的放射性衰變，甚至我們體內一個同位素鉀的衰變都將釋放出約5000個中微子—當然了，大部分來到地球的中微子，基本上是太陽的“饋贈”。它也是整個宇宙中數量第二多的粒子，僅次于光子。

然而一直以來，對于中微子的存在與否，始終存有爭議。1930年它就被預言，但預言者自己都將信將疑。直到1956年，美國物理學家才成功監測到了中微子的運動軌跡，宣告了這一“鬼靈”粒子真實存在。

三重奏，修正標準模型

但在證實存在之后，另一個嚴重問題砸下來：我們數不對中微子的總數。彼時科學家已經能夠在理論上計算出太陽產生的中微子數量，然而相對于此，似乎有多達三分之二的中微子在到達地球前失蹤了。

科學家一度懷疑是計算太陽中微子數量的理論公式有問題，但另一種意見開始浮上水面，那就是中微子能夠改變自己的“身份”。

依照粒子物理學的標準模型，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。太陽只產生電子中微子，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，才造成了數量統計上的差池。

正是梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的實驗向我們證明，這些中微子“身份”確實轉變了。這種改變需要中微子有質量，雖然質量極小，但對粒子物理學來說，卻是一個歷史性的發現。

原因無他，標準模型關于物質內部運作的描述一度非常成功，在20多年的時間里成功抵制住了所有實驗的挑戰，而新的觀察結果已經清楚地表明，標準模型不能完成關于宇宙基本組成的理論描繪。

這是中微子發現之初誰也不曾預見的，如此微小的粒子，會同時顛覆了粒子物理學與宇宙學。

中微子，繼續改變世界

隨著大型精密觀測設施的投入使用，人們已有能力觀察中微子三種類型間的互相變化。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儀器，夜以繼日地運轉著，將微小又多變的中微子，從無數其他粒子中準確地甄別出來。這個過程非常不容易，僅一絲微小的干擾，都會影響觀測的準確性。

10月6日，瑞典皇家科學院將2015年諾貝爾物理學獎授予了梶田隆章及阿瑟·麥克唐納，不僅由于他們對物理學領域所作出的學術貢獻，還在于他們領導的團隊，克服重重困難后成功揭開了中微子這只“變色龍”的變身奧秘。

諾貝爾獎評選委員會在聲明中稱，該研究為“粒子世界的蛻變”。梶田隆章與阿瑟·麥克唐納的發現同時改變了人類對物質內層運作的看法，并將驗證我們對于宇宙的理解。他們幫助人們打開了中微子神秘世界的大門，使得全世界圍繞中微子展開的種種實驗與研究，得以繼續熱烈地進行下去。逐漸涌現的成果讓我們相信，中微子即將帶來的發現，將改變人類對于歷史、科學乃至整個宇宙未來命運的認識。

（本文轉自《科技日報》）