日本和加拿大科学家获2015诺贝尔物理学奖

　　新浪科技讯 北京时光10月6日傍晚消息，瑞典皇家科学院今日傍晚17：50分许宣布，梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳因为发明中微子振荡而获得2015年度诺贝尔物理学奖。

　　宇宙“变色龙”

　　往年的诺贝尔物理学奖获奖人解决了中微子之谜，从而开启了粒子物理学研讨的崭新篇章。物理学家梶田隆章以及阿瑟·麦克唐纳(Arthur B。 McDonald)分别来自两个大型研讨团队：超等神冈探测器团队以及萨德伯里微中子观察站团队，他们发明了中微子在飞行进程中的改变景象。

　　超等神冈探测器重要探测大气中微子。当一个中微子与巨型水槽中的水分子发生相撞时就会发生一个转瞬即逝的带电粒子。这一进程将发生所谓“切伦科夫光”，而这种闪光将被装配在水槽周围的探测器捕获到。这种切伦科夫光的状态和强度可能告诉科学家们发生碰撞的中微子的范例以及它的来源。丈量成果表现来自头顶上方大气中的μ中微子数目要比来自脚底下，穿梭全部地球而来的中微子数目更多，这一成果表明那些穿梭全部地球的μ中微子拥有足够的时光发生了某种改变

　　搜寻正在停止——在地下深处，宏大的研讨设备中数以千计的探测器正等待着时机，以揭开中微子的谜团。1998年，梶田隆章首先发明中微子似乎存在改变景象，在它们抵达日本超等神冈探测器的进程中，中微子的情势似乎发生了改变。这一探测设备所捕获到的中微子是宇宙射线与地球大气层彼此作用所发生的。

　　与此同时，在地球的另一端，加拿大萨德伯里微中子观察站的科学家们正在开展对来自太阳的中微子的研讨工作。2001年，由阿瑟·麦克唐纳率领的研讨组首次证明这些中微子同样存在类似的改变景象。

　　于是这两项试验的成果导致了一种新景象的发明——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品质的中微子其实是有品质的。这不管是对粒子物理学还是对咱们理解宇宙的本质都存在极重要的意义。

　　不情愿的英雄

　　咱们生活在一个中微子的天下里。每一秒都有数以万亿计的中微子通过你的身体。但你看不到它们，也感受不到它们的存在。中微子简直以光速在宇宙中传布，简直不与物质发生彼此作用。那么它们究竟来自何方？

　　萨德伯里微中子观察站重要观察太阳发生的中微子，太阳外部的核反应进程只会发生电子中微子。它又两种观察模式，要么只能测定电子中微子的数目，要么可能测定全部三种中微子的总旌旗灯号数目，但不能停止具体的彼此辨别。成果表现这里测得的电子中微子数目少于预期，但中微子总数与实践预期相符。因而，在从太阳到地球的路途中，电子中微子必定发生了变更

　　其中一些中微子是在宇宙大爆炸中发生的，其余则发生于空间或地球上的各种差别进程之中——从恒星衰亡时的超新星爆发，到核电站内的反应堆，以及自然发生的放射性衰变进程等等。乃至在咱们的身体外部，平均每秒也有超越5000个中微子在钾的同位素衰变进程中被发生出来。在抵达地球的中微子中，大部分都源自太阳外部的核反应进程。在全部宇宙中，中微子的数目仅次于光子，是宇宙中数目最多的粒子之一。

　　但是，长期以来科学家们乃至都无奈确认中微子是否真的存在。事实上，当中微子的概念最早由物理学家沃尔夫冈·泡利(Austrian Wolfgang Pauli)提出来时(泡利是1945年诺贝尔奖获得者)，他的重要目的是想为由于β衰变进程中似乎表现出来的能量不守恒景象而感到绝望的物理学家们找到一个说明。β衰变是原子核衰变的一种情势。在1930年12月，泡利以“亲爱的(从事)放射性(研讨的)女士们和先生们”开头，致信给他的物理学同行。在这封信中，泡利提出，β衰变进程中的一部分能量可能是被一种存在电中性，弱彼此作用且品质极小的粒子所带走了。但乃至是泡利本人也简直不相信如许一种粒子是真实存在的。据说他曾经说过如许的话：“我做了一件糟糕的事情，我提出了一种不可能被探测到的粒子。”

　　不久之后，意大利物理学家费米(Enrico Fermi，1938年诺贝尔物理学奖获得者)提出了一种优雅的实践，并且其可能将泡利所提出的这种品质极小且存在电中性的粒子也包含在内。这种粒子被称作“中微子”。没有人会想到，这种小小的粒子将引发粒子物理学乃至宇宙学的革命。

　　但人们还需要等待大概1/4个世纪才能真正等来中微子被真正发明的日子。机会出现在1950年代，当时由于核电站的建设，大量中微子从中发生。在1956年6月份，两名美国物理学家弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines，1995年诺贝尔奖获得者)以及克莱德·科温(Clyde Cowan)给泡利发去一封电报——中微子在他们的探测器中留下了踪迹。这一发明证明这种鬼魅般的粒子是真实存在的。

　　奇特的三“味”组合

　　往年的诺贝尔物理学奖授予解决了长期悬而未决的中微子之谜的几位科学家。

　　从1960年代开端，科学家们已经从实践上盘算出了太阳维持发光的情形下其外部核反应进程中应当发生的中微子数目，但是在地球上停止丈量时，却发明测得的中微子数目仅有实践盘算值的1/3——也就是说2/3的中微子失踪了。它们去哪里了？

　　对此，并不缺乏各种各样的猜想——或许咱们对太阳中微子产量的实践盘算有误？但有一种说明则认为这种景象发生的原因是中微子在传布进程中会发生改变。根据粒子物理学的尺度模子，应当存在三种差别范例的中微子——电子中微子、μ中微子以及τ中微子。太阳只会发生电子中微子。而如果这些电子中微子在向地球传布的进程中改变成了μ中微子或τ中微子，那么地面上探测到了电子中微子数目缺失之谜也就可以说明了。

　　在地下搜寻中微子

　　但是对中微子的这种改变仍然只能停留在猜想阶段，直到更加复杂的大型设备投入运转之后情形才开端有所改观。在地下深处，宏大的探测设备昼夜不停地搜寻着中微子的踪迹。之所以将探测设备建设在地下，是想要避开来自宇宙射线以及自然环境中天然放射性衰变进程的影响。但即便如此，要想从数以十亿计的干扰旌旗灯号中识别出少数几个真实的中微子旌旗灯号仍然是一项宏大的挑战。乃至是地下矿井中的空气以及用来作为探测器的矿物材料中含有的微量元素发生的衰变进程都会干扰试验的成果。

　　1996年，日本的超等神冈探测器在一座废弃锌矿矿井中建成并投入运转，其坐落在日本东京西北大概250公里。而加拿大的萨德伯里微中子观察站则树立在安大略省的一座废弃镍矿井中，于1999年开端投入运转。

　　这两座研讨设备将共同揭开中微子震荡变更的本质，正是这项成就被授予了往年的诺贝尔物理学奖。

　　超等神冈探测器树立在地下1000米深处，包括一个直径40米的巨型水池，其中充填了5万吨纯水。这些水的纯度极高，以至于一束光照射进去70米后其强度才会减半，而在一般的游泳池中，这一数字仅为几米。在这个巨型水池的顶部，侧边和底部装配有超越1.1万个光探测器，它们的目的是探测，放大并丈量发生在这一巨型纯水水池中的微弱闪光旌旗灯号。

　　绝大部分的中微子会直接穿过这个水池，但非常偶尔的情形下会有一些中微子正好与水分子中的氢原子核或电子发生碰撞，而一旦发生如许的碰撞就会发生带电粒子。在这些带电粒子的周围会发生微弱的蓝色闪光。这就是所谓的“切伦科夫光”，它是粒子运动速度超越光速时才会发生的景象。但这显然不符合爱因斯坦的相对论，该实践指出，任何物体的运动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，因而有可能被这种带电粒子所超越。这种切伦科夫光的状态和强度可能告诉科学家们发生碰撞的中微子的范例以及它的来源。

　　揭开谜团

　　在其最初两年的运转中，超等神冈探测器大概检测到5000次中微子旌旗灯号。这比先前的试验中都要多得多，但在把宇宙射线发生中微子的情形考虑在内之后，则检测数字仍然少于预期。宇宙射线粒子来自于天空的各个方向，当它们与地球大气中的分子发生碰撞时就会发生大量中微子。

　　超等神冈探测器捕获到直接来自头顶大气中发生的μ中微子，以及那些那些来自脚底下方，穿梭了全部地球来到日本的中微子旌旗灯号。实践上说这两个方向来的中微子的数目应当是相等的——对中微子而言，地球基本上是透明的。但是丈量成果却表现来自头顶上方的μ中微子数目要比来自脚底下，穿梭全部地球而来的中微子数目更多。

　　这一成果表明那些穿梭全部地球的μ中微子拥有足够的时光发生了某种改变，而那些来自头顶上方的μ中微子则因为传布距离仅有数十公里而缺乏如许的时光条件。来自差别方向上的电子中微子数目与预期一致，那么μ中微子一定改变成了中微子的第三种情势——τ中微子。但是，超等神冈探测器是无奈检测到τ中微子的。

　　决定性的一环最终由加拿大的萨德伯里微中子观察站补上。这台观察设备重要观察太阳发生的中微子，太阳外部的核反应进程只会发生电子中微子。在地下2公里的深处，灌满1000吨重水的储水罐中装配有9500台探测器，它们监视着这些电子中微子的行踪旌旗灯号。所谓重水差别于普通的水，其组成分子中并非氢原子，而是氢的同位素氘，其原子核中多了一个中子。

　　额外的一颗中子增加了中微子粒子与原子核发生碰撞的几率。在一些反应中，科学家们只能测定电子中微子的数目，而在其余一些反应中，科学家们则可能测定全部三种中微子的总旌旗灯号数目，但不能停止具体的彼此辨别。

　　因为科学家们知道太阳外部反应只会发生电子中微子，因而这两种丈量方法应该得到相同的成果才对。因而，如果探测到的电子中微子数目要比三种中微子的数目更少，那么这就意味着电子中微子在它从太阳抵达地球的1.5亿千米路途进程中发生了某种变更。

　　在地球表面的每一平方厘米面积上，每一秒都有超越600亿个中微子通过，而在其最初两年的运转中，萨德伯里微中子观察站平均每天都只能探测到3次中微子旌旗灯号。这一数字大概是实践上该探测器将可能捕获到中微子旌旗灯号数目的1/3。这也就是说，2/3的中微子消失了。但是，盘算三种中微子总数的旌旗灯号数目则与实践预期数目相吻合。于是结论便是，在从太阳到地球的路途中，电子中微子必定发生了变更。

量子天下的变更

这两项试验确认了科学家们此前的怀疑，那就是中微子可以从一种状态改变为另一种状态。这一发明启发了许多其余许多新的试验项目并促使粒子物理学家们从新的视角思考问题。

总体来说，这两项试验的成果导出了一个重要的成果，那就是中微子的这种状态变更要求其必须要存在品质，否则这种变更将无奈发生。但是如许的变更究竟是从何而来？

对这一问题的说明将需要牵涉到量子物理学。在量子天下中，粒子和波是同一种物理状态的差别方面。一个带有一定能量的粒子都可以由存在一定频率的波来描述。在量子物理学中，电子中微子，μ中微子和τ中微子都是由与其叠加的波来表现的。

当这些波的相位相同时，是无奈辨别差别的中微子的。但当中微子在空间传布时，相差开端出现。在传布的途中，波以差别的情势停止叠加。在任何差别位置上的叠加便决定了某一位置上何种中微子会被观察到的几率。在差别的位置上如许的几率都是差别的，或者换句话说是“震荡”的，于是中微子便表现出差别的状态。

这种古怪的行为源自中微子差别的品质。试验表现如许的品质差异极端微小。尽管从未能直接测定中微子的品质，但估算表现其品质极端微小。不过，由于中微子在宇宙中的数目极端宏大，其总品质将变得十分宏大。据估算，宇宙中所有中微子的数目加在一起简直与全部宇宙中所有可见的恒星总品质相当。

通往新物理学之门

中微子存在品质这一事实的发明对粒子物理学存在极重要意义。粒子物理学的尺度模子在描述物质微观机制方面极端成功，在过去20年间经受住了所有试验的检验。但是这一模子要求中微子必须是没有品质的。因而这两项试验的成果代表了尺度模子体系中的第一个明显裂痕。现在事实已经变得越发明朗：粒子物理的尺度模子不可能是描述宇宙运转的完备实践。

而在树立超越尺度模子的新实践之前，还有几个关于中微子的关键问题需要解答。中微子的品质究竟是多少？为何它们的品质如此之小？

除了目前已知的这三种状态之外，有没有可能还存在着其余情势的中微子？中微子是不是它们自身的反粒子？为何它们与其余基本粒子在性质上如此差别？往年被授予诺贝尔奖的工作为咱们窥视这简直完全隐匿的中微子天下提供了关键洞察。相关的试验仍在继续，天下各地的科学家们正忙于捕获中微子并研讨它们的性质。有关中微子奥秘的新发明或许将会改变咱们对宇宙历史、结构以及未来命运的理解。(晨风)

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/i/2015-10-06/doc-ifximeyv2806643.shtml

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