中微子振蕩問鼎諾貝爾獎：粒子物理新篇開啟

文章來源：科學網

10月6日下午，諾貝爾物理學揭曉。日本科學家田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大科學家阿瑟？麥克唐納（Arthur B。 McDonald）獲獎，原因是發現了中微子振蕩，證實了中微子有質量。

粒子物理，可謂諾貝爾物理學的“寵兒”。“這是粒子物理領域第19次獲得諾貝爾物理學。”中科院高能物理所研究員曹俊告訴《中國科學報》記者。

2013年，諾貝爾物理學授予了希格斯粒子的發現者，而希格斯粒子對於完善粒子物理的標準模型具有重要的價值。

而與此相反，中微子振蕩的發現，則明粒子物理的標準模型並不完美。

發現中微子振蕩是“意外之喜”

今年，日本獲獎者的發現來自一個名叫“超級神岡探測器”（Super Kamiokande）的大傢伙。

在超級神岡實驗之前的幾十年裏，太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反常現象，一直令人困惑不解。1998年，超級神岡實驗發現，一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使中微子的丟失得到了合理的解釋。這種現象后來被稱為“中微子振蕩”。

然而，也許很多人不知道的是，日本科學家當初對於這一物理現象的發現，卻並非“直奔主題”，發現它純屬“無心插柳”。

2002年，美國物理學家雷蒙特？戴維斯和日本物理學家小柴昌俊因探測宇宙中微子，獲諾貝爾獎。這一成績，鼓勵了日本政府加大了中微子研究領域的投入力度。於是，他們將“實驗容器”從3000噸升級5萬噸，做成了超級神岡探測器。

“超級神岡實驗當初設計出來並不是為了尋找中微子實驗的，而是要找質子衰變。在探測質子衰變的過程中，需要去除中微子的影響，最后，超級神岡探測器雖然沒有找到質子衰變，卻意外地發現了中微子振蕩。”曹俊，“一般能夠得上諾級別的，都是有一些意外的發現。”

物理學在頒什麼？

中微子，屬於構成物質世界的基本粒子，按照粒子物理標準模型的預測，中微子沒有質量，也不會發生振蕩。

“目前圍繞粒子物理標準模型，已經發了18個諾貝爾獎，有一部分頒給新粒子的發現者的，有一部分頒給相互作用機制的發現者。但是，長期以來，中微子是標準模型裏認識得最不清楚的一種粒子。”曹俊。

而后，科學家卻發現了中微子的振蕩。“中微子振蕩之所以重要，正是因為它告訴我們中微子是有質量的。”中科院高能物理所所長王貽芳告訴記者。

探測到振蕩，並不容易。很早以前，人類就發現了中微子的存在，而且證明確實存在三種中微子，分別是電子中微子、μ中微子和τ中微子，這三種中微子占了12種基本粒子的四分之一。但是，中微子之間的作用機制一直是個謎。

“每秒鐘，穿過我們身體的太陽中微子就有幾百萬個，而且，由於不帶電，它几乎不跟物質發生相互作用。”曹俊。

當初，科學家之所以能探測到中微子的振蕩，或許要部分歸功於大型探測器。“日本神岡實驗其實就是個巨大的‘水罐子’。”中科院高能物理研究所研究員張雙南向《中國科學報》記者解釋，裏面裝5萬噸液體作為探測介質，“‘水’越多，粒子相互作用的機會就越大，捕捉到相互作用的可能性也就越大。

“不同質量的中微子，在飛行的過程中，振動的頻率不同，不同頻率的中微子會相互發生干涉，形成其他的中微子。”曹俊。

發現了中微子的振蕩和質量，表明粒子物理的標準模型仍有待擴展，而這也將為未來粒子物理的發展指出更多的方向。“我們現在認為標準模型是一定要突破的，也是一定能夠突破的。”曹俊。

張雙南表示，中微子振蕩，乃至中微子質量研究，還將有助於理解宇宙中物質和反物質為什麼是不對稱的。“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，大家認為，中微子質量，很可能與此有關，這也是大家關心中微子振蕩的重要原因。”他。

粒子物理往哪走？

盡管此次諾貝爾物理學並未出現中國人的身影，但中國在粒子物理領域卻仍然有舉足輕重的地位。

“今天頒發的兩個獎項分別是大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩，其他的還有反應堆中微子振蕩和加速器中微子振蕩，從來源來上基本上就是這四種研究手段。”曹俊指出，“中國在反應堆中微子振蕩領域是世界上做的最好的。”

曹俊所的“最好”，指的是大亞灣中微子實驗。該實驗由中科院高能物理研究所的科研人員2003年提出，利用我國大亞灣核反應堆群生的大量中微子，尋找中微子的第三種振蕩。

“相比於日本和加拿大，大亞灣中微子實驗的規模要小一些，原因是我們探索的是反應堆中微子。”張雙南指出，由於核電站的中微子通量非常高，所以規模要小得多，“我們跟其他國家的實驗探測的不是同一個東西，發現的現象也不一樣”。

2012年3月，大亞灣中微子實驗組織發言人宣佈，大亞灣中微子實驗發現了新的中微子振蕩，並測量到其振蕩幾率。

有趣的是，關於大亞灣中微子實驗的發現，中日間也曾出現過競爭。此前，日本發現了中微子的第三種振蕩模式的一些端倪，但卻無法做到精確測量。“我們搶先證實了它的存在。”曹俊。

當下，中國還在推動中微子質量的研究。今年1月，繼大亞灣反應堆中微子實驗之后，由中國主持的第二個大型中微子實驗——江門中微子實驗在廣東省江門市建設啟動。其首要科學目標是利用反應堆中微子振蕩確定中微子質量順序。實驗站將建在地下700米深處，計劃2020年投入運行並開始物理取數，運行至少20年。

然而，對於多年來在諾中備受寵愛的粒子物理，曹俊卻顯得很謹慎。“除非有特別重大的新發現，否則粒子物理未來可能不會再繼續受寵。”