文/晨風
瑞典皇家科學院今日傍晚17：50分許宣布，梶田隆章和阿瑟·麥克唐納因為發現中微子振蕩而獲得2015年度諾貝爾物理學獎。
宇宙「變色龍」
今年的諾貝爾物理學獎獲獎人解決了中微子之謎，從而開啟了粒子物理學研究的嶄新篇章。物理學家梶田隆章以及阿瑟·麥克唐納(Arthur-B.- McDonald)分別來自兩個大型研究團隊：超級神岡探測器團隊以及薩德伯裡微中子觀測站團隊，他們發現了中微子在飛行過程中的轉變現象。
搜尋正在進行——在地下深處，巨大的研究設施中數以千計的探測器正等待著時機，以揭開中微子的謎團。1998年，梶田隆章首先發現中微子似乎存在轉變現象，在它們抵達日本超級神岡探測器的過程中，中微子的形式似乎發生了改變。這一探測設施所捕捉到的中微子是宇宙射線與地球大氣層相互作用所產生的。
與此同時，在地球的另一端，加拿大薩德伯裡微中子觀測站的科學家們正在開展對來自太陽的中微子的研究工作。2001年，由阿瑟·麥克唐納率領的研究組首次證明這些中微子同樣存在類似的轉變現象。
於是這兩項實驗的結果導致了一種新現象的發現——中微子振蕩。而更進一步的意義還在於，曾經長期被認為是沒有質量的中微子其實是有質量的。這不管是對於粒子物理學還是對於我們理解宇宙的本質都具有極重要的意義。
不情願的英雄
我們生活在一個中微子的世界裡。每一秒都有數以萬億計的中微子通過你的身體。但你看不到它們，也感受不到它們的存在。中微子幾乎以光速在宇宙中傳播，幾乎不與物質發生相互作用。那麼它們究竟來自何方？
其中一些中微子是在宇宙大爆炸中產生的，其他則產生於空間或地球上的各種不同過程之中——從恆星衰亡時的超新星爆發，到核電站內的反應堆，以及自然發生的放射性衰變過程等等。甚至在我們的身體內部，平均每秒也有超過5000個中微子在鉀的同位素衰變過程中被產生出來。在抵達地球的中微子中，大部分都源自太陽內部的核反應過程。在整個宇宙中，中微子的數量僅次於光子，是宇宙中數量最多的粒子之一。
然而，長期以來科學家們甚至都無法確認中微子是否真的存在。事實上，當中微子的概念最早由物理學家沃爾夫岡·泡利(Austrian-Wolfgang-Pauli)提出來時(泡利是1945年諾貝爾獎獲得者)，他的主要目的是想為由於β衰變過程中似乎表現出來的能量不守恆現象而感到絕望的物理學家們找到一個解釋。β衰變是原子核衰變的一種形式。
在1930年12月，泡利以「親愛的(從事)放射性(研究的)女士們和先生們」開頭，致信給他的物理學同行。在這封信中，泡利提出，β衰變過程中的一部分能量可能是被一種具有電中性，弱相互作用且質量極小的粒子所帶走了。但甚至是泡利本人也幾乎不相信這樣一種粒子是真實存在的。據說他曾經說過這樣的話：「我做了一件糟糕的事情，我提出了一種不可能被探測到的粒子。」
不久之後，義大利物理學家費米(Enrico Fermi，1938年諾貝爾物理學獎獲得者)提出了一種優雅的理論，並且其能夠將泡利所提出的這種質量極小且具有電中性的粒子也包含在內。這種粒子被稱作「中微子」。沒有人會想到，這種小小的粒子將引發粒子物理學乃至宇宙學的革命。
但人們還需要等待大約1/4個世紀才能真正等來中微子被真正發現的日子。機會出現在1950年代，當時由於核電站的建設，大量中微子從中產生。
在1956年6月份，兩名美國物理學家弗雷德裡克·萊因斯(Frederick Reines，1995年諾貝爾獎獲得者)以及克萊德·科溫(Clyde-Cowan)給泡利發去一封電報——中微子在他們的探測器中留下了蹤跡。這一發現證明這種鬼魅般的粒子是真實存在的。
奇特的三「味」組合
今年的諾貝爾物理學獎授予解決了長期懸而未決的中微子之謎的幾位科學家。
從1960年代開始，科學家們已經從理論上計算出了太陽維持發光的情況下其內部核反應過程中應當產生的中微子數量，然而在地球上進行測量時，卻發現測得的中微子數量僅有理論計算值的1/3——也就是說2/3的中微子失蹤了。它們去哪裡了？
對此，並不缺乏各種各樣的猜想——或許我們對於太陽中微子產量的理論計算有誤？但有一種解釋則認為這種現象產生的原因是中微子在傳播過程中會發生改變。根據粒子物理學的標準模型，應當存在三種不同類型的中微子——電子中微子、μ中微子以及τ中微子。
太陽只會產生電子中微子。而如果這些電子中微子在向地球傳播的過程中轉變成了μ中微子或τ中微子，那麼地面上探測到了電子中微子數量缺失之謎也就可以解釋了。
中微子的三種「味」：從左到右——τ中微子，電子中微子和μ中微子
在地下搜尋中微子
然而對於中微子的這種轉變仍然只能停留在猜想階段，直到更加複雜的大型設施投入運行之後情況才開始有所改觀。在地下深處，巨大的探測設施晝夜不停地搜尋著中微子的蹤跡。之所以將探測設施建設在地下，是想要避開來自宇宙射線以及自然環境中天然放射性衰變過程的影響。
但即便如此，要想從數以十億計的幹擾信號中識別出少數幾個真實的中微子信號仍然是一項巨大的挑戰。甚至是地下礦井中的空氣以及用來作為探測器的礦物材料中含有的微量元素發生的衰變過程都會干擾實驗的結果。
1996年，日本的超級神岡探測器在一座廢棄鋅礦礦井中建成並投入運行，其坐落在日本東京西北大約250公裡。而加拿大的薩德伯裡微中子觀測站則建立在安大略省的一座廢棄鎳礦井中，於1999年開始投入運行。
這兩座研究設施將共同揭開中微子震蕩變化的本質，正是這項成就被授予了今年的諾貝爾物理學獎。
超級神岡探測器建立在地下1000米深處，包括一個直徑40米的巨型水池，其中充填了5萬噸純水。這些水的純度極高，以至於一束光照射進去70米後其強度才會減半，而在一般的遊泳池中，這一數字僅為幾米。
在這個巨型水池的頂部，側邊和底部安裝有超過1.1萬個光探測器，它們的目的是探測，放大並測量發生在這一巨型純水水池中的微弱閃光信號。
絕大部分的中微子會直接穿過這個水池，但非常偶爾的情況下會有一些中微子正好與水分子中的氫原子核或電子發生碰撞，而一旦發生這樣的碰撞就會產生帶電粒子。在這些帶電粒子的周圍會產生微弱的藍色閃光。這就是所謂的「切倫科夫光」，它是粒子運動速度超過光速時才會產生的現象。
但這顯然不符合愛因斯坦的相對論，該理論指出，任何物體的運動速度都不能超越真空中的光速。但在水中，光速下降到其最大速度的75%左右，因此有可能被這種帶電粒子所超越。這種切倫科夫光的形態和強度能夠告訴科學家們發生碰撞的中微子的類型以及它的來源。
揭開謎團
在其最初兩年的運行中，超級神岡探測器大約檢測到5000次中微子信號。這比先前的實驗中都要多得多，但在把宇宙射線產生中微子的情況考慮在內之後，則檢測數字仍然少於預期。宇宙射線粒子來自於天空的各個方向，當它們與地球大氣中的分子發生碰撞時就會產生大量中微子。
超級神岡探測器捕捉到直接來自頭頂大氣中產生的μ中微子，以及那些那些來自腳底下方，穿越了整個地球來到日本的中微子信號。
理論上說這兩個方向來的中微子的數量應當是相等的——對於中微子而言，地球基本上是透明的。然而測量結果卻顯示來自頭頂上方的μ中微子數量要比來自腳底下，穿越整個地球而來的中微子數量更多。
這一結果表明那些穿越整個地球的μ中微子擁有足夠的時間發生了某種轉變，而那些來自頭頂上方的μ中微子則因為傳播距離僅有數十公裡而缺乏這樣的時間條件。
來自不同方向上的電子中微子數量與預期一致，那麼μ中微子一定轉變成了中微子的第三種形式——τ中微子。然而，超級神岡探測器是無法檢測到τ中微子的。
決定性的一環最終由加拿大的薩德伯裡微中子觀測站補上。這臺觀測設施主要觀測太陽產生的中微子，太陽內部的核反應過程只會產生電子中微子。
在地下2公裡的深處，灌滿1000噸重水的儲水罐中安裝有9500臺探測器，它們監視著這些電子中微子的行蹤信號。所謂重水不同於普通的水，其組成分子中並非氫原子，而是氫的同位素氘，其原子核中多了一個中子。
額外的一顆中子增加了中微子粒子與原子核發生碰撞的機率。在一些反應中，科學家們只能測定電子中微子的數量，而在其他一些反應中，科學家們則能夠測定全部三種中微子的總信號數量，但不能進行具體的相互區分。
因為科學家們知道太陽內部反應只會產生電子中微子，因此這兩種測量方法應該得到相同的結果才對。因此，如果探測到的電子中微子數量要比三種中微子的數量更少，那麼這就意味著電子中微子在它從太陽抵達地球的1.5億千米路途過程中發生了某種變化。
在地球表面的每一平方釐米麵積上，每一秒都有超過600億個中微子通過，而在其最初兩年的運行中，薩德伯裡微中子觀測站平均每天都只能探測到3次中微子信號。這一數字大約是理論上該探測器將能夠捕捉到中微子信號數量的1/3。
這也就是說，2/3的中微子消失了。然而，計算三種中微子總數的信號數量則與理論預期數量相吻合。於是結論便是，在從太陽到地球的路途中，電子中微子必定發生了變化。
量子世界的變化
這兩項實驗確認了科學家們此前的懷疑，那就是中微子可以從一種形態轉變為另一種形態。這一發現啟發了許多其他許多新的實驗項目並促使粒子物理學家們從新的視角思考問題。
總體來說，這兩項實驗的結果導出了一個重要的結果，那就是中微子的這種形態變化要求其必須要具有質量，否則這種變化將無法發生。但是這樣的變化究竟是從何而來？
對於這一問題的解釋將需要牽涉到量子物理學。在量子世界中，粒子和波是同一種物理狀態的不同方面。一個帶有一定能量的粒子都可以由具有一定頻率的波來描述。在量子物理學中，電子中微子，μ中微子和τ中微子都是由與其疊加的波來表現的。
當這些波的相位相同時，是無法區分不同的中微子的。但當中微子在空間傳播時，相差開始出現。在傳播的途中，波以不同的形式進行疊加。在任何不同位置上的疊加便決定了某一位置上何種中微子會被觀測到的機率。在不同的位置上這樣的機率都是不同的，或者換句話說是「震蕩」的，於是中微子便表現出不同的形態。
這種古怪的行為源自中微子不同的質量。實驗顯示這樣的質量差異極其微小。儘管從未能直接測定中微子的質量，但估算顯示其質量極其微小。不過，由於中微子在宇宙中的數量極其巨大，其總質量將變得十分巨大。據估算，宇宙中所有中微子的數量加在一起幾乎與整個宇宙中所有可見的恆星總質量相當。
通往新物理學之門
中微子具有質量這一事實的發現對於粒子物理學具有極重要意義。粒子物理學的標準模型在描述物質微觀機制方面極其成功，在過去20年間經受住了所有實驗的檢驗。然而這一模型要求中微子必須是沒有質量的。因此這兩項實驗的結果代表了標準模型體系中的第一個明顯裂痕。現在事實已經變得越發明朗：粒子物理的標準模型不可能是描述宇宙運行的完備理論。
而在建立超越標準模型的新理論之前，還有幾個關於中微子的關鍵問題需要解答。中微子的質量究竟是多少？為何它們的質量如此之小？
除了目前已知的這三種形態之外，有沒有可能還存在著其他形式的中微子？中微子是不是它們自身的反粒子？為何它們與其他基本粒子在性質上如此不同？
今年被授予諾貝爾獎的工作為我們窺視這幾乎完全隱匿的中微子世界提供了關鍵洞察。相關的實驗仍在繼續，世界各地的科學家們正忙於捕獲中微子並研究它們的性質。有關中微子奧秘的新發現或許將會改變我們對於宇宙歷史、結構以及未來命運的理解。
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