| 标题 | 从诺贝尔物理学奖观“中微子”的前世今生 |
| 范文 | 张玲玉 许小涛 摘要：瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章以及加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们在中微子质量研究的贡献.二位科学家发现了中微子振荡的现象，从而证明中微子也有质量.时隔13年“中微子”第4次登上了世界最高物理学奖的领奖台，诺贝尔奖在奖励“中微子”所取得的重要成果的同时也“记录”了它的发展历程.本文围绕该领域所获得的4块诺贝尔奖，给人们介绍了中微子的基本特征并展现了中微子艰难的探索历程. 关键词：诺贝爾物理学奖；中微子；物理学史 1“中微子”的基本特征 中微子其字面上的意义为“微小的电中性粒子”，又译作微中子，是轻子的一种，其自旋量子数为12.很多中微子在宇宙射线与大气层之间作用中产生，其他中微子在太阳内部核反应中产生.中微子有三种：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分别对应于相应的轻子：电子、μ 子和τ 子.所有中微子都不带电荷，不参与电磁相互作用和强相互作用，但参与弱相互作用.标准模型的假设里中微子的静止质量为零，但可以通过修改标准模型使中微子有非零的质量.实验表明，中微子确实微小但质量并不为零. 中微子没有通常意义上的反粒子.其中反电子中微子是β衰变的副产品.目前观察到中微子只有左旋，而反中微子只有右旋.反中微子如同中微子只参与弱相互作用及重力作用.由于中微子不带电荷，其可能即是自己的反粒子.带有这种性质的粒子称作马悠拉纳粒子.如果中微子确实是马悠拉纳粒子，我们便有机会观察到不放出中微子的双重β衰变.有许多实验试图去寻找这类的反应过程. 2“中微子”的探索历程 1930年，奥地利物理学家泡利为了解释β衰变中的所谓“能量危机”（即在β衰变过程中，电子的能谱是连续的，而不像α衰变、γ衰变那样，能谱是分立的.）提出了“中微子”的假设[1] [2] [3].1956 年，克莱德·柯温（Clyde Cowan）和弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应，这是第一次从实验上得到中微子存在的证据[1] [2] [3]. 此时，距泡利首次提出中微子假说整整过去了26年.近40年后，莱因斯与发现τ子的美国物理学家马丁·珀尔（Martin Perl）分享了1995年诺贝尔物理学奖.但遗憾的是，柯温已于1974年去世了，否则他也有机会获此殊荣. 1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家利昂·M·莱德曼等人发现了中微子有“味”（量子数）的属性，证实了μ子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[4].2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ 子中微子存在的证据. 1968 年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯等人在美国南达科他州的Homestake地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，通过探测发现，来自太阳的中微子不到理论预言的13，这让科学家们大惑不解，一方面寻找理论计算中的错误和漏洞，另一方面重复实验，持续测量了30多年.测量结果始终没有改变，其它实验组也相继做了类似的实验，都得到相同的结果.这就是太阳中微子丢失问题. 1982 年，日本科学家小柴昌俊在一个深达 1000米的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器，最初目标是探测质子衰变，也可以利用中微子在水中产生的切连科夫辐射来探测中微子.1987年2月，在银河系的邻近星系大麦哲伦云中发生了超新星1987A的爆发.日本的神冈探测器和美国的Homestake探测器几乎同时接收到了来自超新星1987A的19个中微子，这是人类首次探测到来自太阳系以外的中微子，在中微子天文学的历史上具有划时代的意义. 2001 年，加拿大的萨德伯里中微子观测站（简称“SNO”）发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子，证实了太阳中微子在达到地球途中发生了相互转换，三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言符合得很好，基本解决了太阳中微子缺失的问题. 雷蒙德·戴维斯超越时代的实验结果终于在34年后才终于被人们所理解，他和小柴昌俊因在中微子天文学的开创性贡献而获得2002年的诺贝尔物理学奖. 3“中微子”的重大突破 物理学家梶田隆章以及阿瑟·麦克唐纳分别来自两个大型研究团队：超级神冈探测器团队以及萨德伯里中微子观测站团队，他们发现了中微子在飞行过程中的转变现象[5] [6] [7].解决了中微子之谜，从而开启了粒子物理学研究的崭新篇章.因此两位科学家获得了2015年的诺贝尔物理学奖. 梶田隆章（Kajita Takaaki），1959年出生在日本埼玉县，埼玉大学理学部物理学科毕业，东京大学理学博士.日本物理学家、天文学家，现任东京大学宇宙线研究所所长、同时担任研究所附属宇宙中微子观测信息融合中心负责人.多次获得物理学相关奖项，1988年获“朝日奖”（集体获奖）、1989年获布鲁诺·罗西奖（集体获奖）、1999年再次获“朝日奖”（集体获奖）及第45届“仁科芳雄奖”、2002年和老师小柴昌俊、户塚洋二，共同获得“潘诺夫斯基实验粒子物理学奖”、2010年获“第1届户塚洋二奖”、2012年获“日本学士院奖”. 阿瑟·麦克唐纳（Arthur B McDonald），1943年8月29日出生在新斯科舍省悉尼，加拿大物理学家、萨德伯里中微子天文台研究所主任.他还是女王大学戈登和帕特里夏灰色粒子天体物理主席.1964年在达尔豪西大学获物理学士，1965年获硕士学位，并于加州理工学院获物理学博士学位.1970至1982年任渥太华西北的乔克·里弗核实验室研究员.1982年至1989年在普林斯顿大学任物理学教授，后加入女王大学.目前是女王大学大学研究主席.2007年，麦克唐纳和戸塚洋二被授予富兰克林奖章. 20世纪90年代，神冈探测器经过改造，名为超级神冈探测器，容量扩大了十倍.超级神冈探测器主要探测大气中微子.当一个中微子与巨型水槽中的水分子发生相撞时就会产生一个转瞬即逝的带电粒子.这一过程将产生所谓“切伦科夫光”，而这种闪光将被安装在水槽周围的探测器捕捉到.这种切伦科夫光的形态和强度能够告诉科学家们发生碰撞的中微子的类型以及它的来源.测量结果显示来自头顶上方大气中的μ中微子数量要比来自脚底下，穿越整个地球而来的中微子数量更多，这一结果表明那些穿越整个地球的μ中微子拥有足够的时间发生了某种转变. 1998年超级神冈实验的领导人之一，小柴昌俊先生的学生梶田隆章率领的日本超级神冈探测器团队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），表明三种中微子是可以相互转换的，为解决太阳中微子问题指明了道路.这种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. 与此同时，在地球的另一端，加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家们正在开展对来自太阳的中微子的研究工作.2001年8月，在麦克唐纳的领导下，依据安大略省萨德伯里中微子天文台地下2100米的检测设施的观测结果，可推论出来自太阳的电中微子振荡成为μ介子和τ中微子. 于是这两项实验的结果导致了一种新现象的发现——中微子振荡.而更进一步的意义还在于，曾经长期被认为是没有质量的中微子其实是有质量的.这不管是对于粒子物理学还是对于我们理解宇宙的本质都具有极重要的意义. 4“中微子”的未解之谜 有关“中微子”逐渐涌现的成果和获得的殊荣，让我们相信，中微子即将带来的发现，将改变人类对于历史、科学乃至整个宇宙未来命运的认识.然而有关中微子还有很多未解之谜尚待后人为之继续探索. 2011年9月，意大利格兰萨索国家实验室（简称“LNGS”）旗下的OPERA实验室宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志.研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快.根据这项对中微子的研究，发现当平均能级达到17 GeV的μ中微子从CERN（“欧洲核子研究所”）走到LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快607纳秒，即以光速的 10000248倍运行，是实验的标准差10纳秒的六倍，“比光速快6公里”. 对此，研究者认为，这可能意味着这些中微子是以比光速快的速度运行.根据爱因斯坦狭义相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物质可以超越光速.如果此次研究结果被验证为真，意味着奠定了现代物理学的基础将遭到严重挑战.这一最新发现可能推翻爱因斯坦的经典理论.这是令人感兴趣的结果，但它科学上的准确性，还要更多的实验才能验证. 5“中微子”的应用展望 中微子不带电荷、稳定、静止质量可以作为零.中微子十分微小，电场和磁场的场力都无法作用其上，它在任何场地奔跑，也不会发生反射、折射和散射.从太阳发射出的中微子几乎毫无阻拦地穿过太阳和地球.因此用它来传递信息可以冲破水下通信和地下通信这两个电磁波通信的禁区. 目前最方便有效的通信工具是无线电波.长波、中波用于中短距离通信；短波依靠地球大气层中电离层的反射，可以进行全球通信；微波可以进行接力通信、卫星通信和散射通信. 但是，从军事上考虑上述通信方法有两个严重的缺点：一是保密性差，无线电波发射出去，谁都能接收；二是无线电波容易受到太阳黑子、雷电和人为的干扰.中微子就没有这些弊端，中微子束可以穿过地球而毫无阻拦，实现地球乃至外层空间中任意两点之间进行直线通信. 参考文献： [1] 李海中微子的发现历程[J]. 物理教学， 2013（8） ：76-78 [2] 董芳芳，平加伦中微子介绍[J]. 物理教師， 2012（10） ：46-48 [3] 郭奕玲，沈慧君 物理学史[M]. 北京：清华大学出版社，2005 [4] 吴为民.两种中微子实验与1988年诺贝尔奖金物理学奖[J].物理，1989，18（5）： 257-262. [5] 张涛.加拿大萨德伯里中微子观测站———揭开太阳中微子的秘密[J].国外科技动态， 2005（ 5） ： 14-19. [6] SNO Collaboration.Measurement of day and night neutrino energy spectra at SNO and constraints on neutrino mixing parameters[J].Phys Rev Lett， 2002，89： 011302. [7] Eguchi K，Enomoto S，Furuno K，et al. First Results from KamLAND： Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance[J].Phys Rev Lett，2003，90： 021802. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。