從諾貝爾物理學獎觀“中微子”的前世今生

張玲玉　許小濤

摘要：瑞典皇家科學院將2015年諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章以及加拿大科學家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們在中微子質量研究的貢獻.二位科學家發現了中微子振蕩的現象，從而證明中微子也有質量.時隔13年“中微子”第4次登上了世界最高物理學獎的領獎臺，諾貝爾獎在獎勵“中微子”所取得的重要成果的同時也“記錄”了它的發展歷程.本文圍繞該領域所獲得的4塊諾貝爾獎，給人們介紹了中微子的基本特征并展現了中微子艱難的探索歷程.

關鍵詞：諾貝爾物理學獎；中微子；物理學史

1“中微子”的基本特征

中微子其字面上的意義為“微小的電中性粒子”，又譯作微中子，是輕子的一種，其自旋量子數為12.很多中微子在宇宙射線與大氣層之間作用中產生，其他中微子在太陽內部核反應中產生.中微子有三種：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分別對應于相應的輕子：電子、μ 子和τ 子.所有中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強相互作用，但參與弱相互作用.標準模型的假設里中微子的靜止質量為零，但可以通過修改標準模型使中微子有非零的質量.實驗表明，中微子確實微小但質量并不為零.

中微子沒有通常意義上的反粒子.其中反電子中微子是β衰變的副產品.目前觀察到中微子只有左旋，而反中微子只有右旋.反中微子如同中微子只參與弱相互作用及重力作用.由于中微子不帶電荷，其可能即是自己的反粒子.帶有這種性質的粒子稱作馬悠拉納粒子.如果中微子確實是馬悠拉納粒子，我們便有機會觀察到不放出中微子的雙重β衰變.有許多實驗試圖去尋找這類的反應過程.

2“中微子”的探索歷程

1930年，奧地利物理學家泡利為了解釋β衰變中的所謂“能量危機”（即在β衰變過程中，電子的能譜是連續的，而不像α衰變、γ衰變那樣，能譜是分立的.）提出了“中微子”的假設[1] [2] [3].1956 年，克萊德·柯溫（Clyde Cowan）和弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，觀測到了中微子誘發的反應，這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據[1] [2] [3]. 此時，距泡利首次提出中微子假說整整過去了26年.近40年后，萊因斯與發現τ子的美國物理學家馬丁·珀爾（Martin Perl）分享了1995年諾貝爾物理學獎.但遺憾的是，柯溫已于1974年去世了，否則他也有機會獲此殊榮.

1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家利昂·M·萊德曼等人發現了中微子有“味”（量子數）的屬性，證實了μ子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[4].2000年7月21日，美國費米國家實驗室宣布發現了τ 子中微子存在的證據.

1968 年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯等人在美國南達科他州的Homestake地下金礦中建造了一個大型中微子探測器，通過探測發現，來自太陽的中微子不到理論預言的13，這讓科學家們大惑不解，一方面尋找理論計算中的錯誤和漏洞，另一方面重復實驗，持續測量了30多年.測量結果始終沒有改變，其它實驗組也相繼做了類似的實驗，都得到相同的結果.這就是太陽中微子丟失問題.

1982 年，日本科學家小柴昌俊在一個深達 1000米的廢棄砷礦中領導建造了神岡探測器，最初目標是探測質子衰變，也可以利用中微子在水中產生的切連科夫輻射來探測中微子.1987年2月，在銀河系的鄰近星系大麥哲倫云中發生了超新星1987A的爆發.日本的神岡探測器和美國的Homestake探測器幾乎同時接收到了來自超新星1987A的19個中微子，這是人類首次探測到來自太陽系以外的中微子，在中微子天文學的歷史上具有劃時代的意義.

2001 年，加拿大的薩德伯里中微子觀測站（簡稱“SNO”）發表了測量結果，探測到了太陽發出的全部三種中微子，證實了太陽中微子在達到地球途中發生了相互轉換，三種中微子的總流量與標準太陽模型的預言符合得很好，基本解決了太陽中微子缺失的問題.

雷蒙德·戴維斯超越時代的實驗結果終于在34年后才終于被人們所理解，他和小柴昌俊因在中微子天文學的開創性貢獻而獲得2002年的諾貝爾物理學獎.

3“中微子”的重大突破

物理學家梶田隆章以及阿瑟·麥克唐納分別來自兩個大型研究團隊：超級神岡探測器團隊以及薩德伯里中微子觀測站團隊，他們發現了中微子在飛行過程中的轉變現象[5] [6] [7].解決了中微子之謎，從而開啟了粒子物理學研究的嶄新篇章.因此兩位科學家獲得了2015年的諾貝爾物理學獎.

梶田隆章（Kajita Takaaki），1959年出生在日本埼玉縣，埼玉大學理學部物理學科畢業，東京大學理學博士.日本物理學家、天文學家，現任東京大學宇宙線研究所所長、同時擔任研究所附屬宇宙中微子觀測信息融合中心負責人.多次獲得物理學相關獎項，1988年獲“朝日獎”（集體獲獎）、1989年獲布魯諾·羅西獎（集體獲獎）、1999年再次獲“朝日獎”（集體獲獎）及第45屆“仁科芳雄獎”、2002年和老師小柴昌俊、戶塚洋二，共同獲得“潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎”、2010年獲“第1屆戶塚洋二獎”、2012年獲“日本學士院獎”.

阿瑟·麥克唐納（Arthur B McDonald），1943年8月29日出生在新斯科舍省悉尼，加拿大物理學家、薩德伯里中微子天文臺研究所主任.他還是女王大學戈登和帕特里夏灰色粒子天體物理主席.1964年在達爾豪西大學獲物理學士，1965年獲碩士學位，并于加州理工學院獲物理學博士學位.1970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.2007年，麥克唐納和戸塚洋二被授予富蘭克林獎章.

20世紀90年代，神岡探測器經過改造，名為超級神岡探測器，容量擴大了十倍.超級神岡探測器主要探測大氣中微子.當一個中微子與巨型水槽中的水分子發生相撞時就會產生一個轉瞬即逝的帶電粒子.這一過程將產生所謂“切倫科夫光”，而這種閃光將被安裝在水槽周圍的探測器捕捉到.這種切倫科夫光的形態和強度能夠告訴科學家們發生碰撞的中微子的類型以及它的來源.測量結果顯示來自頭頂上方大氣中的μ中微子數量要比來自腳底下，穿越整個地球而來的中微子數量更多，這一結果表明那些穿越整個地球的μ中微子擁有足夠的時間發生了某種轉變.

1998年超級神岡實驗的領導人之一，小柴昌俊先生的學生梶田隆章率領的日本超級神岡探測器團隊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），表明三種中微子是可以相互轉換的，為解決太陽中微子問題指明了道路.這種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.

與此同時，在地球的另一端，加拿大薩德伯里中微子觀測站的科學家們正在開展對來自太陽的中微子的研究工作.2001年8月，在麥克唐納的領導下，依據安大略省薩德伯里中微子天文臺地下2100米的檢測設施的觀測結果，可推論出來自太陽的電中微子振蕩成為μ介子和τ中微子.

于是這兩項實驗的結果導致了一種新現象的發現——中微子振蕩.而更進一步的意義還在于，曾經長期被認為是沒有質量的中微子其實是有質量的.這不管是對于粒子物理學還是對于我們理解宇宙的本質都具有極重要的意義.

4“中微子”的未解之謎

有關“中微子”逐漸涌現的成果和獲得的殊榮，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.然而有關中微子還有很多未解之謎尚待后人為之繼續探索.

2011年9月，意大利格蘭薩索國家實驗室（簡稱“LNGS”）旗下的OPERA實驗室宣布觀測結果，并刊登于英國《自然》雜志.研究人員發現，中微子的移動速度比光速還快.根據這項對中微子的研究，發現當平均能級達到17 GeV的μ中微子從CERN（“歐洲核子研究所”）走到LNGS，所需的時間比光子在真空移動的速度還要快607納秒，即以光速的 10000248倍運行，是實驗的標準差10納秒的六倍，“比光速快6公里”.

對此，研究者認為，這可能意味著這些中微子是以比光速快的速度運行.根據愛因斯坦狹義相對論，光速是宇宙速度的極限，沒有任何物質可以超越光速.如果此次研究結果被驗證為真，意味著奠定了現代物理學的基礎將遭到嚴重挑戰.這一最新發現可能推翻愛因斯坦的經典理論.這是令人感興趣的結果，但它科學上的準確性，還要更多的實驗才能驗證.

5“中微子”的應用展望

中微子不帶電荷、穩定、靜止質量可以作為零.中微子十分微小，電場和磁場的場力都無法作用其上，它在任何場地奔跑，也不會發生反射、折射和散射.從太陽發射出的中微子幾乎毫無阻攔地穿過太陽和地球.因此用它來傳遞信息可以沖破水下通信和地下通信這兩個電磁波通信的禁區.

目前最方便有效的通信工具是無線電波.長波、中波用于中短距離通信；短波依靠地球大氣層中電離層的反射，可以進行全球通信；微波可以進行接力通信、衛星通信和散射通信.

但是，從軍事上考慮上述通信方法有兩個嚴重的缺點：一是保密性差，無線電波發射出去，誰都能接收；二是無線電波容易受到太陽黑子、雷電和人為的干擾.中微子就沒有這些弊端，中微子束可以穿過地球而毫無阻攔，實現地球乃至外層空間中任意兩點之間進行直線通信.

參考文獻：

[1] 李海中微子的發現歷程[J]. 物理教學， 2013（8） ：76-78

[2] 董芳芳，平加倫中微子介紹[J]. 物理教師， 2012（10） ：46-48

[3] 郭奕玲，沈慧君 物理學史[M]. 北京：清華大學出版社，2005

[4] 吳為民.兩種中微子實驗與1988年諾貝爾獎金物理學獎[J].物理，1989，18（5）： 257-262.

[5] 張濤.加拿大薩德伯里中微子觀測站———揭開太陽中微子的秘密[J].國外科技動態， 2005（ 5） ： 14-19.

[6] SNO Collaboration.Measurement of day and night neutrino energy spectra at SNO and constraints on neutrino mixing parameters[J].Phys Rev Lett， 2002，89： 011302.

[7] Eguchi K，Enomoto S，Furuno K，et al. First Results from KamLAND： Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance[J].Phys Rev Lett，2003，90： 021802.