李玉峰

2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予日本科學(xué)家棍田隆章（Takaaki Kaiita）和加拿大科學(xué)家麥克唐納（ArthurB.McDonald），獎(jiǎng)勵(lì)他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，從而證明中微子具有非零的靜止質(zhì)量。

1998年6月棍田隆章代表日本的超級神岡探測器（Super Kamiokande）在“國際中微子物理和天文學(xué)大會(huì)”（Neutrino98）上首次確鑿地給出高能宇宙線在地球大氣層產(chǎn)生的大氣中微子的消失現(xiàn)象；2001-2002年間，麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)（Sudbury Neutrino Observatory，SNO）發(fā)現(xiàn)太陽核心核聚變產(chǎn)生的電中微子也出現(xiàn)了消失現(xiàn)象，并且首次證明丟失的中微子變成了其他類型中微子，從而解決了持續(xù)三十余年的“太陽中微子失蹤之謎”。

作為自然界最神秘的基本粒子，中微子曾多次進(jìn)入普通公眾的視野。災(zāi)難電影《2012》描述了地球世界末日發(fā)生時(shí)驚心動(dòng)魄的場景，“災(zāi)難制造者”中微子也廣為人知；作家劉慈欣的暢銷科幻小說《三體》描述了使用中微子進(jìn)行星系間通信的美好場景；2011年發(fā)生的OEPRA實(shí)驗(yàn)中微子超光速鬧劇，由于其震撼性，迅速超越科學(xué)領(lǐng)域，被普通公眾廣泛關(guān)注。最終此次事件以電線插頭的錯(cuò)誤而結(jié)束，OEPRA實(shí)驗(yàn)組的發(fā)言人也被迫辭職，令人唏噓。

公眾對中微子的印象略顯片面、夸張并且有失真實(shí)性。太陽核心燃燒產(chǎn)生的中微子如果能傳到太陽表面從而到達(dá)地球，必將暢通無阻地穿過地球，而能產(chǎn)生《2012》場景的中微子在到達(dá)地球之前已經(jīng)可以使太陽自身發(fā)生爆炸。中微子可以穿過任何物體的阻擋，因而可以作為傳遞信息的理想載體，但另一方面也正由于其難以捕獲，短期內(nèi)無法作為實(shí)用的通信工具。

中微子與諾貝爾獎(jiǎng)

中微子物理似乎一直是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的寵兒，在介紹2015年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)工作前，先來回顧一下前三次中微子與諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的故事。

1930年。為了解決原子核衰變中能量不守恒問題，奧地利物理學(xué)家泡利（Wolfgang Pauli）首次提出自然界存在中性微小粒子的假說，后來費(fèi)米（EnmcoFermi）將其命名為中微子。1956年，美國物理學(xué)家萊因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Cowan）首次通過核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子的存在。萊因斯因此獲得1995年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，考溫已于1974年不幸逝世。

1950年代，意大利物理學(xué)家蓬捷科爾沃（BrunoPonteeorvo）提出伴隨u子產(chǎn)生的中微子不同于原子核衰變產(chǎn)生的中微子的想法，并建議使用新建的加速器進(jìn)行驗(yàn)證。1962年，美國哥倫比亞大學(xué)的萊德曼（Leon Lederman）、施瓦茨（Melvin Schwartz）和施泰因貝格爾（Jack Steinberger）等人，用高能質(zhì)子束打擊鈹靶產(chǎn)生1T介子，并控制π介子的衰變以產(chǎn)生中微子束流。觀察結(jié)果表明，伴隨π介子衰變所產(chǎn)生的中微子，與原子核衰變中所產(chǎn)生的中微子是不同的；稱前者為u中微子，后者為電中微子。1988年，萊德曼、施瓦茨和施泰因貝格爾因u中微子的發(fā)現(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1946年，蓬捷科爾沃提出使用反衰變的方法直接測量中微子，并建議使用氯原子核進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。美國化學(xué)家戴維斯（Raymond Davis）使用此方法進(jìn)行了一系列嘗試，在多年探測反應(yīng)堆中微子無果后，轉(zhuǎn)而進(jìn)行太陽中微子的測量，最終于1968年使用盛滿純四氯乙烯的容器做探測器首次觀測到太陽內(nèi)部核聚變產(chǎn)生的中微子。1987年2月23日，日本物理學(xué)家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）領(lǐng)導(dǎo)的神岡中微子探測器（Kamiokande）捕獲到大麥哲倫星云爆發(fā)的超新星發(fā)出的11個(gè)中微子。因太陽中微子和超新星中微子的探測，戴維斯和小柴昌俊獲得2002年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

消失的中微子：中微子去哪了

失蹤的太陽中微子

太陽給人類帶來賴以生存的光和熱，但是其能量究竟來自哪里，一直是人類關(guān)注的焦點(diǎn)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家貝特（Hans Bethe）在1939年提出氫核聚變的物理機(jī)制，指出在太陽核心高溫高密度區(qū)域，氫原子核有條件發(fā)生聚變反應(yīng)，從而放出大量的能量，此后經(jīng)過數(shù)萬年的傳遞，熱量才可以從太陽核心傳遞到太陽表面，成為可以直接輻射地球的“太陽光”。這個(gè)理論看起來很完美，但是我們終究無法深入到太陽內(nèi)部去探究其發(fā)生的具體過程。幸虧還有中微子，這種自然界無處不在的幽靈粒子也存在于太陽聚變?nèi)紵磻?yīng)中，科學(xué)家稱這種中微子為“太陽中微子”。太陽中微子可以幾乎不受影響地以接近光速的速度從太陽內(nèi)部傳播到表面，最終到達(dá)地球。在地球表面，每秒有上萬億的中微子穿過每個(gè)人的身體。

早在1968年戴維斯探測到太陽中微子之時(shí)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)探測到的中微子數(shù)目只有理論計(jì)算數(shù)值的1/3左右。太陽中微子的理論計(jì)算來自于戴維斯的親密合作者、天體物理學(xué)家巴考爾（John Bahcall）。利用一種太陽演化的精細(xì)計(jì)算模型，巴考爾及其同事計(jì)算了不同能量的太陽中微子到達(dá)地球的數(shù)目。由于太陽中微子會(huì)與氯元素發(fā)生反應(yīng)并釋放出放射性氬原子。所以他們還計(jì)算了戴維斯實(shí)驗(yàn)中盛滿四氯乙烯的巨桶中氬原子的個(gè)數(shù)。巴考爾預(yù)測太陽中微子每天能產(chǎn)生大約1，5個(gè)氬原子。精于化學(xué)微量元素提純的戴維斯可以直接提取這些含量極其微小的反應(yīng)產(chǎn)物。通過每兩個(gè)月左右進(jìn)行一次測量，發(fā)現(xiàn)探測器每天產(chǎn)生約0，5個(gè)氬原子。理論和實(shí)驗(yàn)存在3倍的差距，這被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。

戴維斯的實(shí)驗(yàn)持續(xù)了20余年。一直運(yùn)行到1995年。實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持穩(wěn)定，每天產(chǎn)生0，5個(gè)左右的氬原子。此外，意大利和蘇聯(lián)的兩個(gè)鎵原子核探測器、小柴昌俊的神岡中微子探測器也都進(jìn)行了太陽中微子的探測，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)目都小于太陽模型理論計(jì)算數(shù)目。基于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)家不禁發(fā)問：太陽中微子到底去哪了？是理論計(jì)算的錯(cuò)誤，還是實(shí)驗(yàn)測量錯(cuò)了？或者說兩者都沒錯(cuò)，只是太陽中微子在產(chǎn)生和探測之間發(fā)生了變化？

大氣中微子反常

在孜孜以求地尋找“太陽中微子失蹤之謎”答案的同時(shí)，柳暗花明、殊途同歸的一幕出現(xiàn)了。大氣中微子的研究為太陽中微子失蹤問題的解決提供了意料之外的支持。

1960年代，描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統(tǒng)一理論已經(jīng)確立；1970年代，同時(shí)描述弱相互作用、強(qiáng)相互作用以及電磁相互作用的大統(tǒng)一模型的理論研究也有了關(guān)鍵進(jìn)展。大統(tǒng)一理論預(yù)測質(zhì)子可以發(fā)生衰變，所以科學(xué)家開始考慮測量質(zhì)子衰變的可能性。這其中就包括小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的神岡探測器以及萊因斯領(lǐng)導(dǎo)的美國IMB（Irvine—Michigan—Brookhaven）實(shí)驗(yàn)。但直到今天，包括后來的超級神岡探測器等所有的觀測都沒有找到質(zhì)子衰變發(fā)生的證據(jù)。

高能宇宙線和大氣中的原子核相互作用，可以產(chǎn)生大量高能π介子，π介子接下來經(jīng)過兩級衰變，可以產(chǎn)生電中微子和u中微子，科學(xué)家稱之為“大氣中微子”。1965年，位于印度和南非的兩個(gè)廢棄金礦中的閃爍體探測器首次測量到大氣中微子的信號。到1980年代，為了得到質(zhì)子衰變研究所需排除的背景信號，神岡和IMB的兩個(gè)探測器也觀測到大氣中微子信號。出乎大家意料的是，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測到大氣中微子的事例數(shù)都小于理論計(jì)算數(shù)值，中微子消失的問題再一次出現(xiàn)了。但與此同時(shí)，另外幾個(gè)大氣中微子實(shí)驗(yàn)。包括意大利的NUSEX實(shí)驗(yàn)和法國的Frejus實(shí)驗(yàn)，都沒有觀測到大氣中微子的消失現(xiàn)象。基于當(dāng)時(shí)的這種狀況，科學(xué)家把神岡和IMB的實(shí)驗(yàn)結(jié)果稱為“大氣中微子反?！?。

黎明前的黑暗

1980年代到1990年代初，太陽中微子和大氣中微子的研究百家爭鳴。太陽中微子失蹤之謎從1968年開始已經(jīng)持續(xù)很長時(shí)間，雖然不同的實(shí)驗(yàn)都觀測到太陽中微子的消失現(xiàn)象，但對于消失幅度的定量數(shù)據(jù)，幾個(gè)實(shí)驗(yàn)并不相同；大氣中微子的觀測也沒有給出中微子消失原因的一致結(jié)論。與此同時(shí)，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型通過了所有實(shí)驗(yàn)的精確測量檢驗(yàn)，在各個(gè)方面被證實(shí)可以非常準(zhǔn)確地描述粒子世界。因此，許多保守的物理學(xué)家堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)模型的完備性，認(rèn)為太陽中微子和大氣中微子的消失現(xiàn)象應(yīng)該來自太陽中微子和大氣中微子的理論計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)觀測方面的錯(cuò)誤，拒絕承認(rèn)中微子失蹤現(xiàn)象是源于中微子的振蕩效應(yīng)。為了澄清這些疑難，中微子物理的研究亟需可以提供決定性結(jié)果的實(shí)驗(yàn)?；诖?，日本的超級神岡探測器和加拿大的SNO探測器應(yīng)運(yùn)而生。

中微子消失：決定性的實(shí)驗(yàn)

到1990年代末，太陽中微子失蹤之謎已經(jīng)持續(xù)很長時(shí)間，但是率先取得突破的反而是10年前發(fā)現(xiàn)的大氣中微子反?，F(xiàn)象。1998年，日本的超級神岡探測器率先給出了大氣中微子振蕩存在的決定性證據(jù)；四年后，加拿大的SNO探測器給出太陽中微子振蕩存在的證據(jù)，一舉解決困擾科學(xué)家34年之久的太陽中微子失蹤之謎。

超級神岡探測器：開創(chuàng)中微子的黃金時(shí)代

也許是大自然的青睞，在小柴昌俊退休前的兩個(gè)月，銀河系衛(wèi)星星系之一的大麥哲倫星云爆發(fā)了一顆超新星。得益于神岡中微子探測器不久前的升級，也得益于這顆超新星離地球足夠近，神岡探測器記錄了11個(gè)寶貴的超新星中微子事例。這不僅導(dǎo)致了小柴昌俊2002年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，也促進(jìn)新一代的超級神岡探測器成功上馬。

超級神岡探測器于1991年開始建造，1996年完成。它采用了神岡探測器同樣的技術(shù)，比神岡探測器大20倍，共使用5萬噸純凈水和13000個(gè)光電倍增管，在當(dāng)時(shí)是當(dāng)之無愧的旗艦實(shí)驗(yàn)裝置。超級神岡探測器的兩個(gè)主要負(fù)責(zé)人是小柴昌俊的學(xué)生戶塚洋二（YoiiTotsuka）和棍田隆章，戶塚洋二負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的建造和運(yùn)行，而棍田隆章領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析。超級神岡探測器對大氣中微子進(jìn)行了高精度的測量，1998年6月棍田隆章代表合作組在日本高山舉行的“國際中微子大會(huì)”上報(bào)告，實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩。

超級神岡探測器分別測量了來自于探測器上方和下方的u中微子事例。由于地球大氣層的球?qū)ΨQ性，如果中微子在傳播中沒有發(fā)生變化，來自上下兩個(gè)方向的中微子應(yīng)該相同。但是，實(shí)驗(yàn)顯示中微子事例存在很明顯的上下不對稱，來自下方的中微子明顯變少了。這表明大氣中微子在穿過整個(gè)地球時(shí)消失了，消失的比例和中微子能量以及穿過的距離有關(guān)，與中微子振蕩模型的理論預(yù)測一致。后續(xù)的研究表明丟失的u中微子絕大部分都轉(zhuǎn)換成了T中微子。1998年超級神岡探測器的結(jié)果不依賴于大氣中微子的理論計(jì)算，并且在一定程度上也不依賴探測器的誤差，以確鑿的證據(jù)證明中微子振蕩的存在?？茖W(xué)家最終相信自然界確實(shí)存在中微子振蕩現(xiàn)象，1998年也被稱為“中微子振蕩元年”，標(biāo)志著中微子研究黃金時(shí)代的到來。

因?yàn)槌壣駥綔y器發(fā)現(xiàn)大氣中微子的振蕩現(xiàn)象，棍田隆章獲得2015年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而小柴昌俊的另一個(gè)學(xué)生戶塚洋二在2008年因病逝世，錯(cuò)失獲獎(jiǎng)機(jī)會(huì)。

SNO探測器：掃清持續(xù)34年的陰霾

為了尋找太陽中微子失蹤的答案，并最終驗(yàn)證太陽模型理論計(jì)算的正確性，太陽中微子實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行獨(dú)立于太陽模型的全新觀測。首先找到問題解決方案的是華人物理學(xué)家陳華森（Herbert Hwa Chen）。受神岡探測器用純水作為探測媒介的啟發(fā)，陳華森于1984年提出使用重水探測太陽中微子的方案，并從開始階段就作為發(fā)言人領(lǐng)導(dǎo)SNO探測器的設(shè)計(jì)。使用重水不僅能測量到達(dá)地球的電中微子數(shù)目，還可以同時(shí)測量所有類型中微子的總和，從而可以對是否存在中微子從電子型到其他類型的轉(zhuǎn)換給出確定的結(jié)論。非常不幸的是陳華森于1987年因病逝世，錯(cuò)失繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)并建造SNO探測器的機(jī)會(huì)。1987年后，加拿大人麥克唐納開始領(lǐng)導(dǎo)SNO探測器項(xiàng)目。

SNO探測器從1990年開始動(dòng)工建設(shè)，1999年5月建成并開始運(yùn)行。該探測器位于加拿大薩德伯里地下2公里的一處廢棄鎳礦內(nèi)，直徑30米的地下探測器大廳內(nèi)安放有直徑12米的有機(jī)玻璃球型探測器，探測器內(nèi)裝有1000噸重水，并安裝1萬個(gè)光電倍增管作為光信號探測單元。

2001-2002年，SNO探測器首次觀測到電中微子和所有類型中微子的數(shù)目，結(jié)果表明所有中微子的總和與太陽模型預(yù)測的一致。其中電中微子只相當(dāng)于總量的35%，其他的65%為y中微子和T中微子。

由于太陽核聚變只能產(chǎn)生電中微子，因此SNO探測器結(jié)果表明。在中微子傳播過程中，電中微子并沒有真正失蹤，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨煞N類型的中微子。至此，困擾科學(xué)家34年的“太陽中微子失蹤之謎”最終解決了。由于SNO探測器能夠直接比較電中微子和全部中微子，它首次在獨(dú)立于太陽模型的條件下證明中微子振蕩效應(yīng)的存在。因?yàn)镾NO探測器發(fā)現(xiàn)太陽中微子的振蕩現(xiàn)象，麥克唐納獲得2015年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子振蕩：理論的解釋

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測中微子是無質(zhì)量的粒子，也不存在發(fā)生中微子類型轉(zhuǎn)化的振蕩效應(yīng)。中微子振蕩效應(yīng)的存在表明中微子具有非零質(zhì)量以及存在混合效應(yīng)，進(jìn)一步表明粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是不完備的，需要在某些方面進(jìn)行擴(kuò)充以滿足中微子振蕩效應(yīng)。

1957年，受K介子振蕩現(xiàn)象的啟示，蓬捷科爾沃提出中微子與反中微子之間轉(zhuǎn)化的可能性。1968年，在得知戴維斯的太陽中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，蓬捷科爾沃提出不同類型中微子之間發(fā)生轉(zhuǎn)化的振蕩理論。

中微子振蕩是一種基本粒子問的宏觀量子相干現(xiàn)象。發(fā)生相互作用的中微子態(tài)，即前面提到的不同類型的中微子，和傳播過程的中微子態(tài)之間存在混合現(xiàn)象，而產(chǎn)生和探測過程中的中微子態(tài)是不同質(zhì)量的中微子態(tài)的相干疊加。在傳播過程中不同質(zhì)量的中微子態(tài)具有不同的傳播相位，由于中微子傳播相位的差別，初態(tài)產(chǎn)生過程和末態(tài)探測過程的中微子態(tài)也就存在不同。從產(chǎn)生到探測過程，中微子發(fā)生了不同類型間的轉(zhuǎn)換。

大氣中微子的振蕩現(xiàn)象可以用u中微子到T中微子的振蕩來解釋。太陽中微子振蕩具有進(jìn)一步的復(fù)雜性。由于太陽內(nèi)部的物質(zhì)密度很大，中微子和物質(zhì)相互作用可以改變傳播過程的中微子混合的大小，并且改變的程度與中微子能量相關(guān)。這就可以解釋不同能量的太陽中微子發(fā)生不同的振蕩行為，并且和前面提到的不同類型實(shí)驗(yàn)的太陽中微子消失幅度不同相一致。

反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)后來居上

1998年超級神岡探測器發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩現(xiàn)象，2002年SNO解決太陽中微子失蹤之謎，中微子研究開啟了黃金時(shí)代。一時(shí)間，很多實(shí)驗(yàn)都開始中微子振蕩的測量，包括太陽中微子和大氣中微子實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)以及加速器中微子實(shí)驗(yàn)。其中，反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)對我們理解中微子振蕩行為起到了關(guān)鍵作用。

日本的KamLAND（Kamioka Liquid ScintillatorAnti-Neutrino Detector）是為了驗(yàn)證太陽中微子振蕩而設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)裝置。探測器位于原來神岡中微子探測器的舊址。2002年12月，KamLAND首次公布了一年實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)中微子在傳播過程中也發(fā)生了失蹤現(xiàn)象，并且失蹤中微子的比例與太陽中微子的振蕩行為相符。此后KamLAND利用更多的數(shù)據(jù)，在2004年首次觀測到不同能量中微子的振蕩行為，并直接給出反應(yīng)堆中微子的振蕩曲線。

太陽中微子和大氣中微子的振蕩代表兩種不同的中微子振蕩模式，而理論預(yù)測中微子還存在第三種振蕩模式，其振蕩行為依賴于全新的中微子參數(shù)的大小直接決定中微子振蕩中電荷宇稱破壞的幅度，是利用中微子解釋宇宙物質(zhì)反物質(zhì)不對稱的必要條件。我國的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)在這方面做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。大亞灣實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)點(diǎn)探測器建造在距離反應(yīng)堆2公里處，用來研究反應(yīng)堆中微子的振蕩行為。此外，大亞灣實(shí)驗(yàn)還在距離反應(yīng)堆300-500米的地方放置了另外兩組探測器，用以監(jiān)測反應(yīng)堆發(fā)出的原初中微子數(shù)目。2012年3月，利用遠(yuǎn)近點(diǎn)探測器之間的直接對比，實(shí)驗(yàn)首次給出第三種振蕩模式存在的證據(jù)，并測量了中微子參數(shù)的大小，為后續(xù)中微子物理的研究打通了康莊大道。

結(jié)束語

從1998年開始，中微子振蕩的研究蓬勃發(fā)展：展望未來，中微子領(lǐng)域還有若干未解之謎等待科學(xué)家去解決，最關(guān)鍵的問題包括測量中微子的質(zhì)量順序以及電荷宇稱破壞相位等。

我國新一代的江門反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)就是為解決中微子質(zhì)量順序問題而建造的。在質(zhì)量順序測量方面，還有韓國的REN050、印度的INO、美國在南極建造的PINGU以及法國在地中海建造的ORCA等實(shí)驗(yàn)。另一方面。電荷宇稱破壞相位的測量是未來加速器長基線中微子實(shí)驗(yàn)的首要目標(biāo)，在這個(gè)領(lǐng)域有日本的超超級神岡探測器（Hyper-Kamiokande）和美國的LBNF/DUNE加速器中微子實(shí)驗(yàn)?？梢灶A(yù)期未來20年中微子物理的研究將持續(xù)蓬勃發(fā)展。將會(huì)有更多中微子的秘密被揭開，期待我國對中微子感興趣的年輕人踴躍加入這個(gè)令人心潮澎湃的科學(xué)領(lǐng)域。