科学前沿

发现中微子振荡从而证实中微子具有质量
——2015年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

2015年诺贝尔物理学奖揭晓．日本科学家梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳(ArthurB.McDonald)因“发现中微子振荡，证实中微子有质量”而获奖．

1中微子发现的历史进程

1.1中微子概念的提出

19世纪末20世纪初对放射性的研究发现，在量子世界中，能量的吸收和发射是不连续的．不仅原子的光谱是不连续的，而且原子核中放出的α射线和γ射线也是不连续的．奇怪的是，物质在β衰变过程中释放出的由电子组成的β射线的能谱却是连续的，而且电子只带走了一部分能量，还有一部分能量失踪了．1930年，奥地利物理学家泡利(W.Pauli)提出了一个假说，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损．这种粒子后来被称为中微子，它与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测到．

1933年，意大利物理学家费米(E.Fermi)提出了β衰变的定量理论，指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外，还有第三种相互作用——弱相互作用．β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子．他的理论定量地描述了β射线能谱连续，β能谱连续之谜终于解开了．

1.2首次通过实验直接探测到中微子

美国物理学家柯万(C.L.Cowan)和莱因斯(F.Reines)等第一次通过实验直接探测到了中微子．他们的实验实际上探测的是核反应堆β衰变发射的电子反中微子，该电子反中微子与氢原子核(即质子)发生反β衰变，在探测器里形成有特定强度和时间关联的快、慢信号，从而实现对中微子的观测．他们的发现于1995年获得诺贝尔物理学奖．

1.33种不同中微子(有“味”属性)的揭示

1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家莱德曼(L.Ledeman)等人发现了中微子有“味”的属性，证实了μ中微子和电子中微子是不同的中微子．他们也因此获得1988年的诺贝尔物理学奖．2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ中微子存在的证据．

2中微子振荡

2.1太阳中微子之谜与大气中微子反常

2.2中微子振荡的发现

中微子是一种极难被探测到的基本粒子，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中都极为重要．中微子共有3种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡．中微子振荡的观点最早由理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫(B.Pontecorvo)于1957年提出．

自20世纪60年代起，科学家一直试图揭示太阳中微子之谜与大气中微子反常的原因．

1998年6月，日本超级神冈探测器的梶田隆章(图1)等科学家宣布找到了中微子振荡的证据，即中微子在不同“味”之间发生了转换(电子中微子和μ子中微子间变换)，这现象只在中微子的静止质量不为零时才会发生．然而这个实验只能测出不同“味”的中微子质量之差，尚不能测得其绝对质量．

图1　梶田隆章( Takaaki Kajita)，1959年出生于日本

2001年8月，在加拿大物理学家麦克唐纳(图2)的领导下，依据安大略省萨德伯里中微子天文台地下2 100m的检测设施的观测结果，推论出来自太阳的电子中微子振荡成为τ中微子，而3种中微子的总数并没有减少．

图2　阿瑟·麦克唐纳( Arthur B. Mcdonald)， 1943年

中微子振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释．

2．3中微子的第三种振荡

大气中微子振荡和太阳中微子振荡分别对应电子中微子和μ中微子之间的变换、电子中微子和τ中微子之间的变换．根据中微子振荡理论，还应该存在第三种振荡模式，即μ中微子和τ中微子之间的变换．2012年3月8日，中科院高能物理研究所所长、大亚湾中微子项目总负责人王贻芳，向世界宣布了一项重大物理成果——他们首次发现了中微子的第三种振荡模式，并精确测量到中微子混合角θ13．这样一来，中微子振荡现象就全都确认了．

3中微子振荡发现的重大意义

对于当代粒子物理学而言，标准模型曾获得了巨大的成功，经受住20多年实验的验证．然而，在标准模型中，中微子应该没有质量，而中微子振荡现象揭示中微子有质量．这说明标准模型存在重大缺陷，因此，标准模型可能要作重大修改．

按现有粒子物理学，宇宙的膨胀与收缩与宇宙的质量密度有关，现在，中微子有质量了，它对宇宙的形成及未来有什麽影响？

标准模型预言正物质和反物质是对称的，但是宇宙中主要是正物质，反物质非常少，有人认为，这很可能与中微子质量有关．

总之，中微子振荡的发现及中微子有质量的揭示，对于当代物理学提出了许多问题，面对这些挑战，现代物理学很可能将更新某些基本观点与认识．

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