因發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，10月6日，日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納榮獲2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

6日晚，中國(guó)大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人之一、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員曹俊告訴澎湃新聞（www.nxos.com.cn），中微子來(lái)自太陽(yáng)、地球表面的大氣層或者核反應(yīng)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(guò)程中，一種中微子會(huì)轉(zhuǎn)變成另外一種，然后再恢復(fù)，并周期性地重復(fù)這一過(guò)程。三種中微子之間的轉(zhuǎn)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(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)之所以有重大意義，是因?yàn)橹形⒆邮菢?gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子。整個(gè)粒子物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型”，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)幾近完美，科學(xué)家利用該模型一次又一次成功地預(yù)測(cè)并驗(yàn)證了粒子物理學(xué)的現(xiàn)象。在該理論框架中，粒子物理學(xué)家將中微子定義為沒(méi)有質(zhì)量的粒子，換句話說(shuō)，它沒(méi)有重量。但2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主們的發(fā)現(xiàn)顛覆了這一認(rèn)識(shí)。

“如果沒(méi)有質(zhì)量，就不會(huì)有振蕩。振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，證明中微子有質(zhì)量。這意味著，粒子物理學(xué)的理論框架將要被改寫、補(bǔ)充?！辈芸≌f(shuō)。

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(fā)現(xiàn)一種，中國(guó)科學(xué)家2012年在大亞灣發(fā)現(xiàn)了最后一種。

但為什么中國(guó)科學(xué)家沒(méi)能與日本、加拿大科學(xué)家共享2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)？

曹俊表示，17年前，梶田隆章發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩模式，阿瑟·麥克唐納證實(shí)了太陽(yáng)中微子的振蕩模式。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)能夠確鑿證明中微子振蕩現(xiàn)象的存在。2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，意在獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，而非對(duì)其振蕩模式的發(fā)現(xiàn)。

這是諾貝爾獎(jiǎng)第四次垂青中微子研究。

1995年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)電子中微子的美國(guó)科學(xué)家萊因斯；1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)第二種中微子——μ中微子的美國(guó)科學(xué)家萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格；2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子和超新星中微子的美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯和日本科學(xué)家小柴昌俊。

“梶田隆章是小柴昌俊的學(xué)生。”曹俊介紹說(shuō)。小柴昌俊主持建設(shè)了日本的神岡實(shí)驗(yàn)室，1987年，當(dāng)一顆超新星爆發(fā)時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)到了來(lái)自超新星的中微子，從而拓寬了人類對(duì)天體物理學(xué)的認(rèn)知。

“超新星爆發(fā)幾乎是可遇而不可求的，它是罕見(jiàn)事件，但是在宇宙演化中非常重要，我們太陽(yáng)系就來(lái)自一次超新星爆發(fā)的遺跡。組成我們身體的很多元素，只有超新星才能產(chǎn)生，而中微子可能推動(dòng)了超新星的爆發(fā)。”曹俊說(shuō)。15年后，小柴昌俊憑借這一發(fā)現(xiàn)，與美國(guó)物理學(xué)家戴維斯分享了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

神岡實(shí)驗(yàn)室的設(shè)立原本是為了研究質(zhì)子衰變，沒(méi)想到捕捉到了超新星中微子，隨后，日本政府同意建設(shè)規(guī)模更大的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室所用的純水從3000噸增加到50000噸。在小柴昌俊發(fā)現(xiàn)超新星中微子11年后，1998年，梶田隆章在超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)室觀察到了大氣中微子的振蕩現(xiàn)象。

“很多科學(xué)設(shè)施的重要發(fā)現(xiàn)原本不在其建設(shè)目標(biāo)中，意外發(fā)現(xiàn)，并改變?nèi)祟愓J(rèn)知，這種研究可能是諾貝爾獎(jiǎng)所青睞的?！辈芸”硎?。

常人拇指指甲蓋的面積約是1平方厘米，在這樣大小的面積上，1秒鐘約有600億個(gè)太陽(yáng)中微子，以接近光速的速度呼嘯而過(guò)，從人體穿過(guò)，從地球穿過(guò)，幾乎沒(méi)有什么停頓。中微子是宇宙中僅次于光子的數(shù)量最多的粒子，但人類對(duì)其性質(zhì)知之甚少。

曹俊介紹說(shuō)，雖然已經(jīng)證實(shí)中微子具有質(zhì)量，但它到底有多重，三種中微子中哪種更重，現(xiàn)在還不清楚。甚至，中微子具有質(zhì)量，這一事實(shí)如何整合到粒子物理學(xué)的框架中，現(xiàn)在還沒(méi)有定論。這也是中國(guó)科學(xué)家正在回答的問(wèn)題。

中微子可以輕松地穿過(guò)1000光年厚的鉛，所以，有科學(xué)家認(rèn)為，如果對(duì)有中微子信號(hào)編碼為1，無(wú)信號(hào)編碼為0，可以使用中微子進(jìn)行通信，而且不用擔(dān)心信號(hào)強(qiáng)度和巨大的空間距離。

2012年3月，美國(guó)美國(guó)北卡州立大學(xué)以及羅徹斯特大學(xué)科學(xué)家們史無(wú)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(fā)表在《現(xiàn)代物理學(xué)快報(bào)》（Mod. Phys. Lett. A 27 (2012) 1250077）上，文章標(biāo)題為《中微子通信的演示》（Demonstration of Communication using Neutrinos）。但即便是他們，也認(rèn)為中微子通信現(xiàn)階段還不實(shí)用，因?yàn)樾枰獜?fù)雜的設(shè)備。

曹俊解釋說(shuō)，實(shí)現(xiàn)中微子通信的主要難點(diǎn)有二，一是需要一個(gè)產(chǎn)生中微子的設(shè)備，即強(qiáng)大中微子源；二是需要巨大的探測(cè)器，來(lái)監(jiān)測(cè)中微子信號(hào)。但問(wèn)題是，中微子即便傳過(guò)來(lái)了，也可能沒(méi)留下信號(hào)就穿過(guò)去了，因?yàn)樗c其他物質(zhì)的相互作用太弱了，這是它的特點(diǎn)。

那么研究中微子究竟意義何在？“這是一種基本粒子，是我們物質(zhì)世界最基本的規(guī)律，必須回答”。曹俊這樣表示。

（中國(guó)科技大學(xué)物理系博士王釗對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）