『中微子振荡』中微子振荡实验证明了

【提要】证实中微子有质量会直接改变粒子物理对宇宙结构的认识，甚至会改变对于宇宙演化的认识。138亿年前，宇宙大爆炸后产生了无数的粒子，后来演化成现在的宇宙，从大尺度上看，早期的宇宙密度涨落使得宇宙本身更像一张网。

《财经》报道（记者 孙爱民）北京时间10月6日下午5点45分，2015年诺贝尔物理学奖揭晓，日本科学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大科学家家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）获奖。获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。”

诺贝尔官网对刚奖项评价说，梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳的实验成果证实中微子可以改变种类（又称“味”），进而证实了中微子具有质量，这一发现改变了人类对物质内在运作方式的理解，并且对我们的宇宙观的形成有极其重要的作用。

【巧合与幸运的发现】

中微子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，不带电，质量极小，与其他物质的相互作用十分微弱，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。

以前科学家以为中微子是没有质量的，永远以光速飞行。1998年日本的超级神冈探测器发现它们可以从一种种类转变成另一种种类，称为中微子振荡，间接证明了它们具有微小的质量。

1998年，超级神冈探测器的领导者、日本科学家小柴昌俊发表了测量结果，给出中微子振荡的首个确切证据，认为中微子在三种不同“味”之间是可以相互转换的，这也表明中微子是有质量的，而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002年，超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑式的意义，小柴昌俊因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。

小柴昌俊正是梶田隆章的导师。

2000年前后，日本宇宙线研究所主任、东京大学教授梶田隆章通过实验发现太空中的在飞向日本的超级神冈探测器途中，在两个种类间变换；同时，加拿大皇后大学名誉教授阿瑟·麦克唐纳领导的科研团队证实，来自太阳的中微子在飞向地球的途中并没有消失，位于加拿大的萨德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory）以另外一种种类捕捉到了这些中微子。

发现中微子的振荡是巧合与幸运的结果。超级神冈探测器的前身是3000吨级的神冈探测器，本来是日本科学家用来寻找质子衰变现象的。1998年，神冈探测器赶上了几十年发生一次的超新星爆发，科学家碰巧探测到超新星中微子，揭示了超新星爆发的机制。

快要退休的小柴昌俊因此获得2002年诺贝尔物理学奖，日本政府随后将神冈探测器升级为50000吨级的超级神冈实探测器，主要目标依旧是寻找质子衰变现象，结果又一次“意外”得到诺贝尔级别的发现。

其实，中国科学家于2012年还发现了第三种中微子振荡模式，即核反应堆振荡模式。中国科学院高能物理研究所的科研人员于2003年提出设想，利用我国大亚湾反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。

当时国际上先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的共有3个，包括中国的大亚湾实验 、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。最终，中国的科研团队率先完成实验，首次发现了这种新的中微子振荡模式。该成果也入选了《科学》杂志评选的2012年十大科学领域获得的十大突破。

【改变科学界对宇宙的认识】

中微子振荡、中微子有质量这一发现，改变了科学界此前对于宇宙的认识。中国科学院高能物理研究所研究员曹俊在接受《财经》记者采访时表示，证实中微子有质量会直接改变粒子物理对宇宙结构的认识，甚至会改变对于宇宙演化的认识。138亿年前，宇宙大爆炸后产生了无数的粒子，后来演化成现在的宇宙，从大尺度上看，早期的宇宙密度涨落使得宇宙本身更像一张网。

“如果中微子有质量的话，宇宙这张网看起来就会模糊一点，会把其中一些痕迹抹平。” 曹俊说。

中微子有质量的发现，还有可能推进科学家对于反物质研究的进展。

按照宇宙大爆炸理论，正物质与反物质是成对出现的，有一个正物质，就有一个相应的反物质。可是现实的世界中只有正物质，科学家一直在尝试解释反物质去了哪里？

粒子物理中的CP破坏理论认为，CP破坏可能造成了反物质比正物质衰变的快，导致现实世界中只剩下正物质。“被证实拥有质量的中微子可能也存在CP破坏现象。”曹俊表示。

此次获奖的中微子研究着实是诺贝尔物理学奖的“富矿”，截至目前，共获得了四次诺贝尔物理奖。此前，美国物理学家柯万（Cowan）和莱因斯（Reines）等第一次通过实验直接探测到了中微子，于1995年获得诺贝尔物理学奖；1962年，美国莱德曼，舒瓦茨，斯坦伯格发现第二种中微子——μ中微子，获1988年诺贝尔奖；1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，获2002年诺贝尔奖，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子，小柴昌俊同获2002年诺贝尔奖。

曹俊介绍，粒子物理学领域本身就盛产诺贝尔奖，算上这次，共坐拥19个诺贝尔物理奖，“未来中微子领域仍然是富矿”。

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