發現中微子振蕩從而證實中微子具有質量——2015年諾貝爾物理學獎簡介

科學前沿

發現中微子振蕩從而證實中微子具有質量
——2015年諾貝爾物理學獎簡介

本刊資料室

2015年諾貝爾物理學獎揭曉．日本科學家梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納(ArthurB.McDonald)因“發現中微子振蕩，證實中微子有質量”而獲獎．

1中微子發現的歷史進程

1.1中微子概念的提出

19世紀末20世紀初對放射性的研究發現，在量子世界中，能量的吸收和發射是不連續的．不僅原子的光譜是不連續的，而且原子核中放出的α射線和γ射線也是不連續的．奇怪的是，物質在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續的，而且電子只帶走了一部分能量，還有一部分能量失蹤了．1930年，奧地利物理學家泡利(W.Pauli)提出了一個假說，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現了能量虧損．這種粒子后來被稱為中微子，它與物質的相互作用極弱，以至儀器很難探測到．

1933年，意大利物理學家費米(E.Fermi)提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用．β衰變就是核內一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個中微子．他的理論定量地描述了β射線能譜連續，β能譜連續之謎終于解開了．

1.2首次通過實驗直接探測到中微子

美國物理學家柯萬(C.L.Cowan)和萊因斯(F.Reines)等第一次通過實驗直接探測到了中微子．他們的實驗實際上探測的是核反應堆β衰變發射的電子反中微子，該電子反中微子與氫原子核(即質子)發生反β衰變，在探測器里形成有特定強度和時間關聯的快、慢信號，從而實現對中微子的觀測．他們的發現于1995年獲得諾貝爾物理學獎．

1.33種不同中微子(有“味”屬性)的揭示

1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家萊德曼(L.Ledeman)等人發現了中微子有“味”的屬性，證實了μ中微子和電子中微子是不同的中微子．他們也因此獲得1988年的諾貝爾物理學獎．2000年7月21日，美國費米國家實驗室宣布發現了τ中微子存在的證據．

2中微子振蕩

2.1太陽中微子之謎與大氣中微子反常

2.2中微子振蕩的發現

中微子是一種極難被探測到的基本粒子，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中都極為重要．中微子共有3種類型，它可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振蕩．中微子振蕩的觀點最早由理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫(B.Pontecorvo)于1957年提出．

自20世紀60年代起，科學家一直試圖揭示太陽中微子之謎與大氣中微子反常的原因．

1998年6月，日本超級神岡探測器的梶田隆章(圖1)等科學家宣布找到了中微子振蕩的證據，即中微子在不同“味”之間發生了轉換(電子中微子和μ子中微子間變換)，這現象只在中微子的靜止質量不為零時才會發生．然而這個實驗只能測出不同“味”的中微子質量之差，尚不能測得其絕對質量．

圖1　梶田隆章( Takaaki Kajita)，1959年出生于日本

2001年8月，在加拿大物理學家麥克唐納(圖2)的領導下，依據安大略省薩德伯里中微子天文臺地下2 100m的檢測設施的觀測結果，推論出來自太陽的電子中微子振蕩成為τ中微子，而3種中微子的總數并沒有減少．

圖2　阿瑟·麥克唐納( Arthur B. Mcdonald)， 1943年

中微子振蕩現象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反常現象得到了合理的解釋．

2．3中微子的第三種振蕩

大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩分別對應電子中微子和μ中微子之間的變換、電子中微子和τ中微子之間的變換．根據中微子振蕩理論，還應該存在第三種振蕩模式，即μ中微子和τ中微子之間的變換．2012年3月8日，中科院高能物理研究所所長、大亞灣中微子項目總負責人王貽芳，向世界宣布了一項重大物理成果——他們首次發現了中微子的第三種振蕩模式，并精確測量到中微子混合角θ13．這樣一來，中微子振蕩現象就全都確認了．

3中微子振蕩發現的重大意義

對于當代粒子物理學而言，標準模型曾獲得了巨大的成功，經受住20多年實驗的驗證．然而，在標準模型中，中微子應該沒有質量，而中微子振蕩現象揭示中微子有質量．這說明標準模型存在重大缺陷，因此，標準模型可能要作重大修改．

按現有粒子物理學，宇宙的膨脹與收縮與宇宙的質量密度有關，現在，中微子有質量了，它對宇宙的形成及未來有什麼影響？

標準模型預言正物質和反物質是對稱的，但是宇宙中主要是正物質，反物質非常少，有人認為，這很可能與中微子質量有關．

總之，中微子振蕩的發現及中微子有質量的揭示，對于當代物理學提出了許多問題，面對這些挑戰，現代物理學很可能將更新某些基本觀點與認識．

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