解读2015年诺贝尔物理学奖

10月6日下午，诺贝尔物理学奖揭晓。日本科学家梶田隆章和加拿大科学家亚瑟·麦克唐纳获得这个奖项是因为他们发现了中微子振荡并证实了中微子的质量。

粒子物理学是诺贝尔物理学奖的“宠儿”。"这是粒子物理学领域的第19个诺贝尔物理学奖。"中国科学院高能物理研究所的研究员曹骏告诉《中国科学》。

2013年，诺贝尔物理学奖授予了希格斯粒子的发现者，这对于改进粒子物理的标准模型有很大的价值。

相反，中微子振荡的发现表明粒子物理的标准模型并不完美。

中微子振荡的发现是一个“惊喜”

今年，日本获奖者的发现来自一个叫“超级神风”的大家伙。

在超级神岗实验之前的几十年里，太阳中微子消失的神秘和大气中微子的异常一直令人困惑。1998年，超级神岗实验发现一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，这为中微子的损失提供了合理的解释。这种现象后来被称为“中微子振荡”。

然而，许多人可能不知道的是，日本科学家最初对这一物理现象的发现并非“直截了当”，而是纯粹的“偶然”。

2002年，美国物理学家雷蒙·戴维斯和日本物理学家小柴昌俊因探测宇宙中微子而获得诺贝尔奖。这一成就鼓励了日本*增加对中微子研究的投资。结果，他们把“实验容器”从3000吨升级到50000吨，成为超级神冈德。

“超级神岗实验不是为了发现中微子而设计的实验，而是为了发现质子衰变。在探测质子衰变的过程中，需要消除中微子的影响。最后，尽管超级神冈德没有发现质子衰变，但他意外地发现了中微子振荡。曹骏说，“一般来说，那些能够获得诺贝尔奖的人会有一些意想不到的发现。”

物理学奖是什么？

中微子是构成物质世界的基本粒子。根据粒子物理标准模型的预测，中微子没有质量，也不会振荡。

“目前，围绕粒子物理的标准模型，已经颁发了18项诺贝尔奖，有些授予新粒子的发现者，有些授予相互作用机制的发现者。然而，中微子长期以来一直是标准模型中最不为人所知的粒子。曹骏说。

后来，科学家发现了中微子振荡。"中微子振荡很重要，因为它告诉我们中微子有质量."中国科学院高能物理研究所所长王告诉记者。

检测振荡并不容易。很久以前，人类发现了中微子的存在，并证明中微子有三种，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们占12个基本粒子的四分之一。然而，中微子之间的相互作用机制一直是个谜。

“每秒钟有数百万个太阳中微子穿过我们的身体，因为它们没有带电，所以很难与物质相互作用。”曹骏说。

起初，科学家能够探测到中微子振荡，这也许部分归功于大型探测器。日本的超级神冈实验实际上是一个巨大的“水箱”。中国科学院高能物理研究所研究员张双南向《中国科学日报》记者解释说，里面有5万吨液体作为检测介质水越多，粒子相互作用的机会就越大，捕捉到相互作用的可能性就越大。"

“不同质量的中微子在飞行中有不同的振动频率。不同频率的中微子会相互干扰，形成其他中微子。”曹骏说。

中微子振荡和质量的发现表明粒子物理的标准模型仍需扩展，这也将为粒子物理未来的发展指明更多的方向。"我们现在认为，标准模式必须被突破，而且是可以被突破的."曹骏说。

张双南说，中微子振荡甚至中微子质量研究也将有助于理解为什么宇宙中的物质和反物质是不对称的。“标准模型预测正物质和反物质是对称的，但宇宙主要是正物质，反物质很少。人们认为中微子质量可能与此有关，这也是人们关注中微子振荡的一个重要原因。”他说。

粒子物理学走向何方？

虽然诺贝尔物理学奖的获奖者中没有中国人，但中国在粒子物理学领域仍然占据着举足轻重的地位。

今天颁发的两个奖项是大气中微子振荡和太阳中微子振荡，另外两个是反应堆中微子振荡和加速器中微子振荡，它们基本上是从源头上的四种研究方法曹骏指出，“中国在反应堆中微子振荡领域做得是世界上最好的”

曹骏的“最佳”是指大亚湾中微子实验。该实验是由中国科学院高能物理研究所的研究人员于2003年提出的，目的是利用中国大亚湾核电站产生的大量中微子来发现中微子的第三次振荡。

“与日本和加拿大相比，大亚湾中微子实验规模较小，因为我们正在探索反应堆中微子。”张双南指出，由于核电站的中微子通量很高，规模要小得多，“我们与其他国家的实验探测不一样，而且发现的现象也不同”

2012年3月，大亚湾中微子实验组织的发言人宣布，大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡，并测量了它们的振荡概率。

有趣的是，关于大亚湾中微子实验的发现，中国和日本之间存在竞争。早些时候，日本发现了中微子第三振荡模式的一些线索，但它无法精确测量。"我们首先证实了它的存在。"曹骏说。

目前，中国仍在推进中微子质量的研究。今年1月，继大亚湾反应堆中微子实验之后，中国主持的第二次大规模中微子实验——江门中微子实验在广东省江门市启动。它的主要科学目标是利用反应堆中微子振荡来确定中微子质量序列。实验站将建在地下700米处。计划于2020年投入使用，并开始至少20年的物理回收。

然而，曹骏对粒子物理学持谨慎态度，多年来，粒子物理学一直受到诺贝尔奖的青睐。"除非有特别重大的新发现，否则粒子物理学在未来可能不会继续受到青睐。"