打開粒子物理世界的一扇門

王俊卿　李夢飛

北京時間10月6日下午5點45分。2015年諾貝爾物理學獎揭曉。日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納共同分享了該獎項，獲獎理由是他們發現了中微子振蕩。表明中微子具有質量。這也是粒子物理領域第19次獲得諾貝爾物理學獎。

1998年。日本科學家梶田隆章通過實驗發現。某種中微子從宇宙到達位于日本本州島中部的超級神岡中微子探測器途中。似乎發生了狀態改變。這暗示中微子可能與宇宙射線之間存在某種反應。同時在地球的另一端。加拿大的以阿瑟。麥克唐納為首的研究小組也在薩德伯里的中微子天文臺對來自太陽的中微子進行研究。通過實驗也證明了中微子在抵達探測器前發生了狀態改變。這兩項實驗成果揭示了一個共同理論。即中微子可以改變其種類特征。無論這種粒子多么微小都具有質量。這種現象后來被稱為“中微子振蕩”。棍田隆章和阿瑟。麥克唐納的研究揭開了中微子振蕩之謎。

中微子是什么

中微子是構成物質世界的基本粒子之一。從字面來理解。“中”是指粒子呈“電中性”。“微”是對這種粒子體量的描述。這是一種中性的微小粒子。因此得名“中微子”。中微子無處不在。從恒星內部的核反應到超新星的爆發。從宇宙射線與地球大氣層的撞擊到核反應堆的運行。甚至地球上巖石等各種物質的衰變。都能產生中微子。由于它們不帶電且幾乎不與其他物質發生相互作用。很難被捕捉觀測到。因此中微子是基本粒子中人類所知最少的一種。又被稱為“幽靈粒子”。

中微子研究的核心：中微子振蕩

中微子有一個特殊的性質。即它可以在接近光速的飛行中從一種類型轉變成另一種類型。通常稱為中微子振蕩。也稱為不同類型的中微子的混合。也許你會發現這個概念很難理解。我們不妨做個比喻。假設中微子這種基本粒子是一群學生。他們一起參加高考。最終通過考試的人數不變。但最終進入本地的大學生只有人數的1/3，其他的考生去哪里了呢？這就是中微子丟失之謎。后來人們才發現。有的考生成為了外地高校生，有的則成為了留學生。這就叫中微子振蕩。科學家們用中微子的混合參數來描述中微子之間相互轉變的規律。1957年。蘇聯理論物理學家龐帝柯夫首先提出“中微子振蕩”猜想。認為中微子與反中微子在一定條件下可以相互轉化。局限于歷史條件。這一想法并不準確。但其思想導致了現代的中微子振蕩理論：“如果中微子質量不嚴格為零。且中微子的質量本征態與弱作用本征態不同。根據量子力學原理。不同的中微子之間將可以相互轉換。”這也是判斷中微子質量是否為零的方法。中微子是否存在質量成為中微子研究中的一個關鍵議題。

在原先的模型中。中微子是以光速運動的沒有質量的一種粒子。此次這兩位諾貝爾獎獲得者用實驗證明了中微子是有質量的。打破了粒子標準物理模型的研究體系，首次證明了存在粒子物理標準模型以外的粒子模型。從而使得粒子物理研究領域得到了極大的拓展。中微子振蕩的研究成果。為物理學特別是粒子物理學的研究打開了一扇門。

責任編輯 林洋endprint