解读2015诺贝尔物理学奖：中微子会变“味”

2015年诺贝尔物理学奖揭晓。日本东京大学空间辐射研究所所长梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳分享了今年的物理学奖。梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳都在中微子研究方面取得了突破性进展，揭开了中微子振荡的神秘面纱，开辟了粒子物理学的新方向。值得注意的是，梶田隆章和亚瑟·麦克唐纳不是同一个中微子研究小组。亚瑟·麦克唐纳位于萨德伯里中微子天文台，而梶田隆章来自日本的超级信冈中微子探测器。

目前，中微子探测器建在地下深处和海底。这样的环境有利于科学家捕捉穿过地球的中微子。1998年，科学家梶田隆章发现中微子在到达探测器之前似乎已经改变了状态，这表明中微子和宇宙射线之间可能存在某种反应，这种反应发生在地球大气层中。与此同时，在地球的另一边，加拿大的萨德伯里中微子天文台也在2001年研究了来自太阳的中微子。由亚瑟·麦克唐纳领导的研究小组也通过实验证明了中微子在到达探测器之前确实改变了状态。

亚瑟·麦克唐纳和梶田隆章的实验中发现的中微子状态变化属于一种新现象，即中微子振荡。中微子振荡的猜想得到了理论的支持。科学家认为中微子可以在某些口味之间转换。在中微子旅行期间，它们的味道可能会被外界影响而改变。中微子振荡的发现具有深远的意义，因为长期以来，我们认为中微子没有质量，但实验证明中微子有质量。这一发现对粒子物理学有深远的影响，甚至对我们理解宇宙有突破性的意义。

事实上，我们生活在一个中微子的世界里，每秒钟都有无数的中微子穿过我们的身体。我们看不到也感觉不到中微子的存在。中微子具有这样的特性，因为它们几乎不与其他物质相互作用。那么中微子从哪里来，它们的存在对宇宙的进化有什么意义？这是科学家们正在寻找的答案。有些人认为中微子自大爆炸以来就已经出现了。其他人认为中微子来自各种天体事件，从超新星爆炸、质量恒星死亡到核能反应、自然放射性衰变等等，都可能是中微子的来源。

尽管我们体内钾同位素衰变每秒平均释放5000个中微子，但大多数到达地球的中微子都是恒星核聚变反应(如太阳)产生的中微子。同样，中微子的恒星来源产生了宇宙中最多的中微子，仅次于宇宙中的光子。很长一段时间以来，中微子的存在一直没有得到证实，甚至一度认为中微子不存在。奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利早就提出了中微子理论。从β衰变能量守恒的角度来看，可能有一个神秘的粒子。1930年12月，泡利在给其他物理学家的一封信中指出，在β衰变过程中可能存在一个电中性粒子，它的质量非常非常低，并通过弱相互作用而存在。

尽管泡利发现了中微子的存在，但他很难相信这样的粒子还会存在于宇宙中，所以泡利推测他可能做了一件可怕的事情，并假设了一个无法探测到的粒子。不久之后，意大利物理学家费米证明了泡利的电中性粒子，即中微子。那时，没有人能预测到中微子会完全改变我们的粒子物理学和宇宙学。20世纪50年代，中微子研究开始进入一个新阶段。鉴于大量核电站正在建设中，中微子也开始活跃起来。毕竟，中微子也来自核反应过程。1956年6月，两名美国物理学家在探测器中发现了中微子的痕迹。

这项研究进一步发现幽灵中微子确实存在，并且需要一个真实的粒子身份。20世纪60年代，物理学家计算并发现来自太阳的中微子消失了。大约三分之二的中微子消失了。这些中微子在哪里？起初，科学家认为这可能是一个计算错误，但一些研究指出，中微子在传播过程中可能会发生状态变化。根据粒子物理的标准模型，科学家发现了三种类型的中微子，即电中微子、μ中微子和τ中微子，后两种中微子较重，但寿命较短。太阳中微子的形成过程主要形成电中微子。如果电子中微子在传播过程中受到影响，并转化为μ中微子和τ中微子，那么它就可以解释为什么来自太阳的中微子消失了。

由于中微子状态的改变只是猜测，科学家们已经开始建造更大的中微子探测器，更大更先进的中微子探测器投入使用后可以捕获更多的中微子。为了将探测器与宇宙背景噪声隔离开来，中微子探测器自然应该建在地下，以避免干扰。然而，无论如何屏蔽，地球总是在宇宙环境中，所以中微子必然会受到来自银河系的其他背景因素的干扰。如何从数十亿个干扰项中筛选出中微子信号已经成为科学家们研究的焦点。

1996年，在东京西北250公里处建造了一个大型中微子探测器。这是超级神马坎德。1999年，建造在加拿大安大略省镍矿区的中微子探测器也开始运行。这是萨德伯里中微子天文台。超级卡米奥坎德位于地下1000米处，非常深，周围是一个装满5万吨水的巨大水箱。当然，这种水不是普通的水，而是纯度极高的水。当一束光进入70米时，它的强度会减半。如果它是一个普通的游泳池，它只有几米的穿透力。在水池的顶部、周围和底部，科学家安装了11000个探测器来探测微弱的中微子闪光。

一般来说，大多数中微子都会穿过这个池。一旦中微子与水分子中的原子核和电子碰撞，它们就会相互作用。例如，电中微子可以形成电子，μ中微子可以形成μ子，同时会有微弱的蓝色闪光，这就是切伦科夫辐射。有趣的是，切伦科夫辐射的形成是基于粒子的运动速度超过光速，切伦科夫辐射将会形成。根据爱因斯坦的相对论，超光速显然是不允许的。应该指出，光在纯水中的速度只有75%，所以其他粒子的速度可以超过光速，从而形成切伦科夫辐射。

在运行的头两年，超级神冈德发现了大约5000个中微子信号，超出了科学家的预期，但与理论值相比仍有很大差距。因为科学家估计中微子在所有方向上都有统一的模式，所以在宇宙中穿过地球的中微子在所有方向上都大致相同，但是μ中微子的值是异常的。超级神冈底顶部探测到的μ中微子不同于底部探测到的μ中微子。顶部探测到的μ中微子来自大气，而底部的信号来自穿过地球到达日本的中微子。结果表明，探测器顶部的信号大于底部的信号，这表明中微子穿过地球时发生了一些变化。

结果表明，μ中微子在不同的传播距离上有不同的变化。例如，顶部探测器探测到的中微子传播时间较短，底部探测器接收到的中微子穿过了整个地球，因此后者有足够的时间进行改变。科学家发现μ中微子可以转化为τ中微子，这不在超级卡米诺坎德的捕获范围内。

加拿大的萨德伯里中微子天文台建在地下2公里处，周围有9500个探测器和1000吨重的水。使用重水的原因是氘比氢原子核有更多的中子，增加了中微子碰撞的可能性。实验结果表明，电中微子的状态在到达探测器之前已经发生了变化。梶田隆章和亚瑟·麦克唐纳的实验证明了中微子在到达探测器之前确实改变了它们的口味，也证明了中微子有质量。