澎湃新聞記者 吳躍偉
2015-10-07 14:23 來源：澎湃新聞
因發現中微子振蕩現象，10月6日，日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納榮獲2015年諾貝爾物理學獎。
6日晚，中國大亞灣反應堆中微子實驗負責人之一、中國科學院高能物理研究所研究員曹俊告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），中微子來自太陽、地球表面的大氣層或者核反應堆等，一共有三種，分別是電子中微子、μ（繆）中微子、τ（陶）中微子。它們以接近光速的速度飛行，在飛行過程中，一種中微子會轉變成另外一種，然後再恢復，並周期性地重複這一過程。三種中微子之間的轉換，像是川劇中的「變臉」，這被稱為「中微子振蕩」。
曹俊表示，中微子振蕩現象的發現之所以有重大意義，是因為中微子是構成物質世界的基本粒子。整個粒子物理學理論框架中只有12種基本粒子，其中三種是中微子。該理論框架被稱為「標準模型」，經過長期發展，已經幾近完美，科學家利用該模型一次又一次成功地預測並驗證了粒子物理學的現象。在該理論框架中，粒子物理學家將中微子定義為沒有質量的粒子，換句話說，它沒有重量。但2015年諾貝爾物理學獎得主們的發現顛覆了這一認識。
「如果沒有質量，就不會有振蕩。
振蕩現象的發現，證明中微子有質量。這意味著，粒子物理學的理論框架將要被改寫、補充。」曹俊說。
三種中微子的振蕩，共有三種振蕩模式，梶田隆章和阿瑟·麥克唐納各發現一種，中國科學家2012年在大亞灣發現了最後一種。
但為什麼中國科學家沒能與日本、加拿大科學家共享2015年的諾貝爾物理學獎？
曹俊表示，17年前，梶田隆章發現了大氣中微子的振蕩模式，阿瑟·麥克唐納證實了太陽中微子的振蕩模式。這兩個發現已經能夠確鑿證明中微子振蕩現象的存在。
2015年諾貝爾物理學獎，意在獎勵對這一現象的發現，而非對其振蕩模式的發現。
這是諾貝爾獎第四次垂青中微子研究。
1995年的諾貝爾物理學獎授予了發現電子中微子的美國科學家萊因斯；1988年的諾貝爾物理學獎授予了發現第二種中微子——μ中微子的美國科學家萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格；2002年諾貝爾物理學獎授予了發現太陽中微子和超新星中微子的美國科學家雷蒙德·戴維斯和日本科學家小柴昌俊。
「梶田隆章是小柴昌俊的學生。」曹俊介紹說。小柴昌俊主持建設了日本的神岡實驗室，1987年，當一顆超新星爆發時，該實驗室檢測到了來自超新星的中微子，從而拓寬了人類對天體物理學的認知。
「超新星爆發幾乎是可遇而不可求的，它是罕見事件，但是在宇宙演化中非常重要，我們太陽系就來自一次超新星爆發的遺蹟。組成我們身體的很多元素，只有超新星才能產生，
而中微子可能推動了超新星的爆發。」曹俊說。15年後，小柴昌俊憑藉這一發現，與美國物理學家戴維斯分享了2002年的諾貝爾物理學獎。
神岡實驗室的設立原本是為了研究質子衰變，沒想到捕捉到了超新星中微子，隨後，日本政府同意建設規模更大的超級神岡實驗室，實驗室所用的純水從3000噸增加到50000噸。在小柴昌俊發現超新星中微子11年後，1998年，梶田隆章在超級神岡實驗室觀察到了大氣中微子的振蕩現象。
「很多科學設施的重要發現原本不在其建設目標中，意外發現，並改變人類認知，這種研究可能是諾貝爾獎所青睞的。」曹俊表示。
常人拇指指甲蓋的面積約是1平方釐米，在這樣大小的面積上，1秒鐘約有600億個太陽中微子，以接近光速的速度呼嘯而過，從人體穿過，從地球穿過，幾乎沒有什麼停頓。中微子是宇宙中僅次於光子的數量最多的粒子，但人類對其性質知之甚少。
曹俊介紹說，雖然已經證實中微子具有質量，但它到底有多重，三種中微子中哪種更重，現在還不清楚。甚至，中微子具有質量，這一事實如何整合到粒子物理學的框架中，現在還沒有定論。這也是中國科學家正在回答的問題。
中微子可以輕鬆地穿過1000光年厚的鉛，所以，有科學家認為，如果對有中微子信號編碼為1，無信號編碼為0，可以使用中微子進行通信，而且不用擔心信號強度和巨大的空間距離。
2012年3月，美國美國北卡州立大學以及羅徹斯特大學科學家們史無前例地利用一束中微子完成了信息傳遞，其研究論文同年發表在《現代物理學快報》（Mod. Phys. Lett. A 27 (2012) 1250077）上，文章標題為《中微子通信的演示》（Demonstration of Communication using Neutrinos）。但即便是他們，也認為
中微子通信現階段還不實用，因為需要複雜的設備。
曹俊解釋說，實現中微子通信的主要難點有二，一是需要一個產生中微子的設備，即強大中微子源；二是需要巨大的探測器，來監測中微子信號。但問題是，中微子即便傳過來了，也可能沒留下信號就穿過去了，因為它與其他物質的相互作用太弱了，這是它的特點。
那麼研究中微子究竟意義何在？「這是一種基本粒子，是我們物質世界最基本的規律，必須回答」。曹俊這樣表示。
（中國科技大學物理系博士王釗對本文亦有貢獻）
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關鍵詞 >> 諾貝爾物理學獎,中微子震蕩,粒子物理學