科學前沿

發(fā)現(xiàn)中微子振蕩從而證實中微子具有質(zhì)量
——2015年諾貝爾物理學獎簡介

本刊資料室

2015年諾貝爾物理學獎揭曉．日本科學家梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納(ArthurB.McDonald)因“發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，證實中微子有質(zhì)量”而獲獎．

1中微子發(fā)現(xiàn)的歷史進程

1.1中微子概念的提出

19世紀末20世紀初對放射性的研究發(fā)現(xiàn)，在量子世界中，能量的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的．不僅原子的光譜是不連續(xù)的，而且原子核中放出的α射線和γ射線也是不連續(xù)的．奇怪的是，物質(zhì)在β衰變過程中釋放出的由電子組成的β射線的能譜卻是連續(xù)的，而且電子只帶走了一部分能量，還有一部分能量失蹤了．1930年，奧地利物理學家泡利(W.Pauli)提出了一個假說，認為在β衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損．這種粒子后來被稱為中微子，它與物質(zhì)的相互作用極弱，以至儀器很難探測到．

1933年，意大利物理學家費米(E.Fermi)提出了β衰變的定量理論，指出自然界中除了已知的引力和電磁力以外，還有第三種相互作用——弱相互作用．β衰變就是核內(nèi)一個中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質(zhì)子和一個中微子．他的理論定量地描述了β射線能譜連續(xù)，β能譜連續(xù)之謎終于解開了．

1.2首次通過實驗直接探測到中微子

美國物理學家柯萬(C.L.Cowan)和萊因斯(F.Reines)等第一次通過實驗直接探測到了中微子．他們的實驗實際上探測的是核反應堆β衰變發(fā)射的電子反中微子，該電子反中微子與氫原子核(即質(zhì)子)發(fā)生反β衰變，在探測器里形成有特定強度和時間關(guān)聯(lián)的快、慢信號，從而實現(xiàn)對中微子的觀測．他們的發(fā)現(xiàn)于1995年獲得諾貝爾物理學獎．

1.33種不同中微子(有“味”屬性)的揭示

1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家萊德曼(L.Ledeman)等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”的屬性，證實了μ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．2000年7月21日，美國費米國家實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了τ中微子存在的證據(jù)．

2中微子振蕩

2.1太陽中微子之謎與大氣中微子反常

2.2中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)

中微子是一種極難被探測到的基本粒子，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中都極為重要．中微子共有3種類型，它可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，稱為中微子振蕩．中微子振蕩的觀點最早由理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫(B.Pontecorvo)于1957年提出．

自20世紀60年代起，科學家一直試圖揭示太陽中微子之謎與大氣中微子反常的原因．

1998年6月，日本超級神岡探測器的梶田隆章(圖1)等科學家宣布找到了中微子振蕩的證據(jù)，即中微子在不同“味”之間發(fā)生了轉(zhuǎn)換(電子中微子和μ子中微子間變換)，這現(xiàn)象只在中微子的靜止質(zhì)量不為零時才會發(fā)生．然而這個實驗只能測出不同“味”的中微子質(zhì)量之差，尚不能測得其絕對質(zhì)量．

圖1　梶田隆章( Takaaki Kajita)，1959年出生于日本

2001年8月，在加拿大物理學家麥克唐納(圖2)的領(lǐng)導下，依據(jù)安大略省薩德伯里中微子天文臺地下2 100m的檢測設(shè)施的觀測結(jié)果，推論出來自太陽的電子中微子振蕩成為τ中微子，而3種中微子的總數(shù)并沒有減少．

圖2　阿瑟·麥克唐納( Arthur B. Mcdonald)， 1943年

中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象得到了合理的解釋．

2．3中微子的第三種振蕩

大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩分別對應電子中微子和μ中微子之間的變換、電子中微子和τ中微子之間的變換．根據(jù)中微子振蕩理論，還應該存在第三種振蕩模式，即μ中微子和τ中微子之間的變換．2012年3月8日，中科院高能物理研究所所長、大亞灣中微子項目總負責人王貽芳，向世界宣布了一項重大物理成果——他們首次發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，并精確測量到中微子混合角θ13．這樣一來，中微子振蕩現(xiàn)象就全都確認了．

3中微子振蕩發(fā)現(xiàn)的重大意義

對于當代粒子物理學而言，標準模型曾獲得了巨大的成功，經(jīng)受住20多年實驗的驗證．然而，在標準模型中，中微子應該沒有質(zhì)量，而中微子振蕩現(xiàn)象揭示中微子有質(zhì)量．這說明標準模型存在重大缺陷，因此，標準模型可能要作重大修改．

按現(xiàn)有粒子物理學，宇宙的膨脹與收縮與宇宙的質(zhì)量密度有關(guān)，現(xiàn)在，中微子有質(zhì)量了，它對宇宙的形成及未來有什麼影響？

標準模型預言正物質(zhì)和反物質(zhì)是對稱的，但是宇宙中主要是正物質(zhì)，反物質(zhì)非常少，有人認為，這很可能與中微子質(zhì)量有關(guān)．

總之，中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)及中微子有質(zhì)量的揭示，對于當代物理學提出了許多問題，面對這些挑戰(zhàn)，現(xiàn)代物理學很可能將更新某些基本觀點與認識．

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