中微子振荡问鼎诺贝尔奖:粒子物理新篇开启

10月6日下午,诺贝尔物理学奖揭晓。日本科学家梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大科学家阿瑟?麦克唐纳(Arthur B。 McDonald)获奖,原因是发现了中微子振荡,证实了中微子有质量。粒子物理,可谓诺贝尔物理学奖的“宠儿”。“这是粒子物理领域第19次获得诺贝尔 物理学奖。”中科院高能物理所研究员曹俊告诉《中国科学报》记者。

2013年,诺贝尔物理学奖授予了希格斯粒子的发现者,而希格斯粒子对于完善粒子物理的标准模型具有重要的价值。

而与此相反,中微子振荡的发现,则说明粒子物理的标准模型并不完美。

中微子振荡问鼎诺贝尔奖:粒子物理新篇开启的照片 - 1
超级神冈探测器主要探测大气中微子。(新浪科技配图)

发现中微子振荡是“意外之喜”

今年,日本获奖者的发现来自一个名叫“超级神冈探测器”(Super Kamiokande)的大家伙。

在超级神冈实验之前的几十年里,太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象,一直令人困惑不解。1998年,超级神冈实验发现,一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子,使中微子的丢失得到了合理的解释。这种现象后来被称为“中微子振荡”。

然而,也许很多人不知道的是,日本科学家当初对于这一物理现象的发现,却并非“直奔主题”,发现它纯属“无心插柳”。

2002年,美国物理学家雷蒙特?戴维斯和日本物理学家小柴昌俊因探测宇宙中微子,获诺贝尔奖。这一成绩,鼓励了日本政府加大了中微子研究领域的投入力度。于是,他们将“实验容器”从3000吨升级5万吨,做成了超级神冈探测器。

“超级神冈实验当初设计出来并不是为了寻找中微子实验的,而是要找质子衰变。在探测质子衰变的过程中,需要去除中微子的影响,最后,超级神冈探测器虽然没有找到质子衰变,却意外地发现了中微子振荡。”曹俊说,“一般能够得上诺奖级别的,都是有一些意外的发现。”

中微子振荡问鼎诺贝尔奖:粒子物理新篇开启的照片 - 2
萨德伯里微中子观测站主要观测太阳产生的中微子,太阳内部的核反应过程只会产生电子中微子。(新浪科技配图)

物理学奖在颁什么?

中微子,属于构成物质世界的基本粒子,按照粒子物理标准模型的预测,中微子没有质量,也不会发生振荡。

“目前围绕着粒子物理标准模型,已经发了18个诺贝尔奖,有一部分颁给新粒子的发现者的,有一部分颁给相互作用机制的发现者。但是,长期以来,中微子是标准模型里认识得最不清楚的一种粒子。”曹俊说。

而后,科学家却发现了中微子的振荡。“中微子振荡之所以重要,正是因为它告诉我们中微子是有质量的。”中科院高能物理所所长王贻芳告诉记者。

探测到振荡,并不容易。很早以前,人类就发现了中微子的存在,而且证明确实存在三种中微子,分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子,这三种中微子占了12种基本粒子的四分之一。但是,中微子之间的作用机制一直是个谜。

“每秒钟,穿过我们身体的太阳中微子就有几百万个,而且,由于不带电,它几乎不跟物质发生相互作用。”曹俊说。

当初,科学家之所以能探测到中微子的振荡,或许要部分归功于大型探测器。“日本神冈实验其实就是个巨大的‘水罐子’。”中科院高能物理研究所研究员张双南向《中国科学报》记者解释说,里面装着5万吨液体作为探测介质,“‘水’越多,粒子相互作用的机会就越大,捕捉到相互作用的可能性也就越大。

“不同质量的中微子,在飞行的过程中,振动的频率不同,不同频率的中微子会相互发生干涉,形成其他的中微子。”曹俊说。

发现了中微子的振荡和质量,表明粒子物理的标准模型仍有待扩展,而这也将为未来粒子物理的发展指出更多的方向。“我们现在认为标准模型是一定要突破的,也是一定能够突破的。”曹俊说。

张双南表示,中微子振荡,乃至中微子质量研究,还将有助于理解宇宙中物质和反物质为什么是不对称的。“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,大家认为,中微子质量,很可能与此有关,这也是大家关心中微子振荡的重要原因。”他说。

中微子振荡问鼎诺贝尔奖:粒子物理新篇开启的照片 - 3

粒子物理往哪走?

尽管此次诺贝尔物理学并未出现中国人的身影,但中国在粒子物理领域却仍然有着举足轻重的地位。

“今天颁发的两个奖项分别是大气中微子振荡和太阳中微子振荡,其他的还有反应堆中微子振荡和加速器中微子振荡,从来源来上说基本上就是这四种研究手段。”曹俊指出,“中国在反应堆中微子振荡领域是世界上做的最好的。”

曹俊所说的“最好”,指的是大亚湾中微子实验。该实验由中科院高能物理研究所的科研人员2003年提出,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,寻找中微子的第三种振荡。

“相比于日本和加拿大,大亚湾中微子实验的规模要小一些,原因是我们探索的是反应堆中微子。”张双南指出,由于核电站的中微子通量非常高,所以规模要小得多,“我们跟其他国家的实验探测的不是同一个东西,发现的现象也不一样”。

2012年3月,大亚湾中微子实验组织发言人宣布,大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。

有趣的是,关于大亚湾中微子实验的发现,中日间也曾出现过竞争。此前,日本发现了中微子的第三种振荡模式的一些端倪,但却无法做到精确测量。“我们抢先证实了它的存在。”曹俊说。

当下,中国还在推动中微子质量的研究。今年1月,继大亚湾反应堆中微子实验之后,由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验在广东省江门市建设启动。其首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序。实验站将建在地下700米深处,计划2020年投入运行并开始物理取数,运行至少20年。

然而,对于多年来在诺奖中备受宠爱的粒子物理,曹俊却显得很谨慎。“除非有特别重大的新发现,否则粒子物理未来可能不会再继续受宠。”

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. 柠檬果糖 5
    Google Chrome 45.0.2454.46 Google Chrome 45.0.2454.46 Windows 8.1 x64 Edition Windows 8.1 x64 Edition

    咱国遥遥无期~~~~~~~~~~

    广东省东莞市 电信