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中微子振荡是怎样发现的——2015年诺贝尔物理学奖的故事

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2015-10-14 10:11

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标签：诺贝尔奖, 中微子振荡, 太阳中微子, 大气中微子

曹俊

原载【北京日报】新知周刊，2015年10月14日

2015年诺贝尔物理学奖颁给了日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟•麦克唐纳，表彰他们发现中微子振荡现象，证实中微子有质量。它揭示了微观世界一个全新的规律，对宇宙和天体的起源与演化也有重大影响。

从1957年提出想法，到2002年通过大气中微子实验、太阳中微子实验、反应堆中微子实验确立，中微子振荡现象探测发现，一波三折、令人惊奇。

太阳的能量来源

太阳的光和热滋润了万物生长。科学家们长久地思考，它的能量是哪里来的？太阳对我们太重要了，它表面上的一点涟漪——太阳黑子，也会对我们的生活带来可观的影响。几百年前，有人说跟煤燃烧一样。一百多年前，有人说是引力释放的能量。直到几十年前，科学家们仍在争论这个问题。二十世纪初物理学的突飞猛进，让英国的爱丁顿提出了更合理的假说：太阳的能量来自氢核聚变。接下来的二十年，一个又一个的理论困难被解决，到1939年，德国科学家贝特等人提出了完整的机制：氢核通过质子-质子链反应和碳-氮-氧循环反应，聚变成氦原子核，从而释放出巨大的能量。

得不到实验检验的理论只能算是一种假说。现在我们有一个听起来几乎完美的答案，怎么才能检验它对不对呢？核聚变只能发生在太阳核心很小的一片区域，那里的温度和密度远远高于外层，才能让聚变反应得以发生。产生的热能要经过10万年，才能传递到太阳表面，变成我们能感知的光和热。要验证这个理论机制，似乎是一件无法完成的任务，就算是脚下的地球，我们至今也不能深入核心去探究。

幸好有一种神秘的粒子，它可以轻松地从太阳核心穿出，告诉我们太阳的秘密。它叫中微子。1930年，奥地利科学家泡利为解释核衰变中能量似乎不守恒的现象，预言了这样一种“永远找不到”的粒子。26年后，费尽千辛万苦，科学家还是在核反应堆旁找到了中微子存在的证据。假如贝特的理论是正确的，我们可以根据太阳释放的能量，精确地计算出太阳释放出多少中微子，以及它们的能量分布。计算得到的数字让人惊讶：尽管地球离太阳这么远，每一秒钟依然有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体。

1968年，美国的戴维斯在一个废旧金矿中观测到了来自太阳的中微子。他采用了615吨四氯乙烯作为探测器。因为中微子几乎不与物质反应，亿万个太阳中微子毫发无损地穿过探测器。但偶尔也有例外，大约每4天会有一个中微子被捕获，将一个氯原子变成放射性的氩原子。通过探测氩原子的放射性，戴维斯探测到了太阳中微子，证实了爱丁顿和贝特关于太阳能量来自氢核聚变的理论，因此荣获了2002年诺贝尔奖。

太阳中微子失踪之谜
尽管戴维斯如愿找到了太阳中微子，却发现了一个大问题：测到的中微子数仅有预期的三分之一。这被称为“太阳中微子失踪之谜”。

是贝特的太阳模型不对吗？这可是个大问题。在科学研究中，看似合理，但一到认真定量分析就证明不对的理论比比皆是。事实上，直到今天，人们仍在更高的精度上反复检验太阳模型，比如最近发现的太阳金属丰度疑难。

也可能是戴维斯的实验测量不准确。太阳中微子在他的探测器中每4天产生一个氩气原子，相对于615吨液体中来说，这比渤海中的一根针还要少。他通过吹氮气的方法，将这个原子捞出来。尽管他通过小的验证装置说明，90%以上的氩原子都能捞出来，也不能让人信服。假如他实际上只捞出了30%，那就与理论一致了。可怜的戴维斯日复一日地重复着这个实验，从上世纪70年代到90年代，做了整整30年时间。到他获得诺贝尔奖时，已经88岁高龄，是历史上最年长的获奖者。越来越多的人加入了探测太阳中微子的行列，几十年间，通过镓俘获、在水中散射等不同的方法，大家确信，理论预测中的太阳中微子确实大部分丢了。

还有一种解释，就是中微子发生了振荡，从一种中微子变成了其它中微子。太阳产生的中微子是电子中微子，自然界还存在另外两种：缪中微子和陶中微子。1957年，叛逃到前苏联的意大利物理学家庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念。假如中微子有质量，而且不同中微子存在混合的话，中微子就能在飞行过程中自发变成另一种，还能变回来，像波一样振荡。由于这些探测器对缪中微子和陶中微子不灵敏，太阳中微子振荡成其它中微子后，就像是丢了一样。

用中微子振荡解释太阳中微子丢失听起来很合理，但一定量分析又不对。首先，不同的实验虽然都看到中微子减少了，但减少的程度却不一样，无法同时解释这些实验结果。其次，太阳很大，不同地点产生的太阳中微子处于振荡的不同位置，我们看到的应该是平均效果，最多只会丢一半，而戴维斯看到的是丢了三分之二。

很长一段时间，太阳中微子失踪之谜一直困扰着科学家。

大气中微子反常

上世纪70年代末，日本的小柴昌俊提出进行神冈实验，来寻找质子衰变。在现有的理论中，质子是稳定的。假如存在更基本的大统一理论，质子就会衰变。神冈实验位于岐阜县一个地下1千米的废弃砷矿中，采用了3千吨纯净水和1千个极其灵敏、能够探测到单个光子的光电倍增管。实验1982年开始建设，1983年建成。

神冈实验没有找到质子衰变，但是发现了一个奇怪的现象。来自太空的高能宇宙射线在地球大气层中会产生大量中微子，称为大气中微子，包括电子中微子、缪中微子以及他们的反粒子。质子衰变即使有，也是极其稀少的，必须非常干净地去掉各种假信号，因此需要准确估算大气中微子会带来多少假信号。1988年，小柴昌俊的学生，29岁的梶田隆章在分析数据时发现，测到的中微子比预期少，被称为“大气中微子反常”。

梶田隆章

当时很自然就想到是不是中微子振荡？但是没有最终的定论，原因有三。首先是预测大气中微子的产额比较复杂，有可能计算不准确。其次是理论家们不相信。要用中微子振荡解释大气中微子反常，需要中微子的混合是最大值，这与在夸克中发现的小混合很不一样。第三，同时进行的还有法国和意大利的两个实验，他俩居然说没减少。

非凡的发现需要非凡的证据。不管怎么样，这样单薄的证据不足以让人相信中微子振荡。

发现大气中微子振荡

如果不是大自然的慷慨，大气中微子反常之谜也许还要延续很久，因为中微子太难探测，更准确的实验需要大笔的经费投入。就在小柴昌俊退休前不久，银河系的小兄弟大麦哲伦云内有一颗恒星走到了生命的终点，它的临终挣扎就是超新星爆发——SN1987A（实际上光传到地球上需要16.8万年）。它的光芒盖过了整个星系，肉眼就可见到。这是400年来观测到的最明亮的超新星。神冈实验观测到了11个它发出的中微子，证实了超新星爆发会产生极其多的中微子。超新星在宇宙演化中非常重要。主流的理论认为，它的爆发需要中微子助力才能发生，但同太阳中微子一样，需要证据证实。小柴昌俊因“观测到来自宇宙的中微子”，与戴维斯一起分享了2002年诺贝尔奖。

因为这个成果，日本政府同意小柴昌俊建造一个大得多的新探测器——超级神冈。它于1991年开始建造，1996年完成，采用了5万吨纯净水，13000个光电倍增管，是国际中微子研究当之无愧的旗舰。直到今天，这样的规模仍然让人震撼。

日本超级神冈探测器，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器。

1998年6月的日本高山市，在发现“大气中微子反常”现象10年后，梶田隆章代表超级神冈在“国际中微子大会”上报告，以确凿的证据发现了大气中微子振荡。比神冈实验大20倍的超级神冈，测到了足够的大气中微子，显示了它的丢失比例随飞行距离的变化，而这是中微子振荡的关键特征。

丢失的太阳中微子找到了

在发现大气中微子振荡3年后，阿瑟•麦克唐纳领导的加拿大萨德伯里实验宣布找到了失踪的太阳中微子，证实了太阳中微子振荡。

阿瑟·麦克唐纳

1985年，加州大学尔湾分校的华人物理学家陈华森提出了一个巧妙的方法，采用重水同时探测三种中微子，这样就可以知道太阳中微子是真的丢了，还是通过振荡变成了其它中微子。以前的实验都只能探测一种中微子。【P.S. 氯俘获、镓俘获只对电子中微子敏感；水中散射除电子中微子外，对另两种中微子也有一定敏感】

根据这个方法，加拿大在一个地下2100米的镍矿中建造了萨德伯里实验。重水非常昂贵，不过加拿大有个得天独厚的条件，它的商用核电站是唯一采用重水堆技术路线的，实验得以从核电公司借了1千吨、价值约100亿人民币的重水。跟神冈实验相似，它也采用水和光电倍增管做探测器，只不过换成了重水，装在一个直径12米的有机玻璃容器中。1999年实验开始运行，到2001年，已探测到了足够的太阳中微子，证明电子中微子确实丢失了，结果与以前的实验一致；但三种中微子的总数却没有变。不幸的是，陈华森于1987年去世，年仅45岁，没能看到实验成功。【P.S.实际上SNO首次分析只给了电子中微子测量，需要结合Super-K的水散射结果】

加拿大萨德伯里中微子实验

理论上也有了重大的突破。美国物理学家沃芬斯坦注意到，电子中微子在物质中会受到电子的散射，将改变中微子的振荡效应。后来前苏联的米赫耶夫和斯米尔诺夫将这个想法用于解释太阳中微子问题，人们才意识到，以前认为中微子在从太阳飞到地球的过程中发生振荡的看法是完全错误的。对能量比较高的中微子，振荡发生在太阳内，飞出太阳后就不再振荡了，这样振荡几率就可以超过一半。而能量比较低的太阳中微子物质效应比较小，飞离太阳后还可以发生振荡。这样可以精确地解释为何不同实验看到不同的结果，因为它们的能量范围不同。

2002年日本KamLAND实验用反应堆中微子证实了太阳中微子振荡模式。至此，中微子振荡得到了完全的证实。

宇宙反物质消失之谜

物质世界最基本的规律由粒子物理“标准模型”描述，它是无数实验证实的、内部统一的理论体系，相关的实验和理论研究先后被授予了18次诺贝尔奖！在这个理论中，中微子是没有质量的。中微子振荡第一次，也是唯一的一次，以确凿的证据证明，标准模型需要进一步发展。有可能只是一个简单地修改，也有可能打开一片新空间。

宇宙诞生时，正反物质成对产生，是一样多的。但现在我们的宇宙几乎找不到反物质的踪影，被称为“反物质消失之谜”。中微子振荡中会出现一种称为“CP破坏”的现象，导致正反物质的行为不对称。是不是中微子振荡导致了反物质的消失，是宇宙起源必须解决的关键问题。

因为中微子振荡的重要性，今年的诺贝尔物理奖授予了发现大气中微子振荡的梶田隆章和证实太阳中微子振荡的阿瑟•麦克唐纳。

2012年，中国的大亚湾中微子实验发现了除大气中微子模式和太阳中微子模式外的第三种振荡模式，为测量中微子质量顺序和“CP破坏”打开了大门。有多个新实验被批准或正在申请中，包括中国采用2万吨液闪探测器的江门中微子实验，美国采用1-4万吨液氩探测器的加速器实验，印度采用5万吨铁的INO实验，韩国1.8万吨液闪实验，美国在南极的PINGU实验，法国在地中海的ORCA实验，以及日本100万吨纯净水的超超级神冈实验。

可以预期，未来的一二十年，将会有更多的中微子秘密被揭开。

大亚湾中微子实验室。