 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三種中微子類型，即電中微子、μ中微子和τ中微子，后兩者更重，但壽命也更短暫 騰訊太空訊 據(jù)國外媒體報(bào)道，2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布，來自日本東京大學(xué)宇宙射線研究所所長梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理學(xué)家阿瑟-麥克唐納（Arthur B. McDonald）共同分享了今年的物理學(xué)獎(jiǎng)。梶田隆章和阿瑟-麥克唐納都在中微子研究方向上取得了突破性的進(jìn)展，揭開了中微子振蕩之謎，在粒子物理學(xué)界打開了一個(gè)新的方向。值得注意的是，梶田隆章和阿瑟-麥克唐納并不是同一個(gè)中微子研究小組，阿瑟-麥克唐納位于薩德伯里中微子觀測站，而梶田隆章來自日本的超級(jí)神岡中微子探測器。 目前中微子探測器都建造在地下深處和海面之下，這樣的環(huán)境有利于科學(xué)家捕捉到穿過地球的中微子，1998年，科學(xué)家梶田隆章發(fā)現(xiàn)中微子在抵達(dá)探測器之前似乎發(fā)生了狀態(tài)改變，暗示中微子可能與宇宙射線之間存在某種反應(yīng)，這一過程發(fā)生于地球大氣層中。同時(shí)在地球的另一端，加拿大的薩德伯里中微子天文臺(tái)在2001年也對(duì)來自太陽的中微子進(jìn)行研究，該研究小組以阿瑟-麥克唐納為首席科學(xué)家，通過實(shí)驗(yàn)也證明中微子確實(shí)在抵達(dá)探測器前發(fā)生了狀態(tài)改變。 阿瑟-麥克唐納和梶田隆章的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子狀態(tài)改變屬于一種新的現(xiàn)象，即中微子振蕩。中微子振蕩的猜想已經(jīng)有理論支持，科學(xué)家認(rèn)為中微子可以在某些味之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在中微子旅行過程中，其味可能受到外界的影響而變化。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)楹荛L一段時(shí)間內(nèi)，我們認(rèn)為中微子是無質(zhì)量的，但實(shí)驗(yàn)卻證明中微子具有質(zhì)量，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)粒子物理學(xué)影響深遠(yuǎn)，甚至在我們對(duì)宇宙的理解上都有突破性的意義。 事實(shí)上我們生活在中微子的世界中，每一秒都有無數(shù)中微子穿過我們的身體，我們無法看到和感覺到中微子的存在。中微子之所以有這樣的特性，是因?yàn)樗麄儙缀醪挥杵渌镔|(zhì)發(fā)生相互作用。那么中微子從何而來，它的存在對(duì)宇宙演化而言有何意義？這是科學(xué)家所要追尋的答案。有人認(rèn)為中微子在宇宙大爆炸之后就已經(jīng)出現(xiàn)，也有人認(rèn)為中微子來自各種天體事件，從超新星爆發(fā)、大質(zhì)量恒星死亡到核電反應(yīng)、天然放射性衰變等都可成為中微子的來源。 即便是我們的身體內(nèi)每秒鐘平均有5000個(gè)來自鉀同位素衰變釋放的中微子，但是達(dá)到地球的中微子中，多數(shù)是來自太陽這樣的恒星核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中微子，同理，在宇宙中中微子的恒星源產(chǎn)生的中微子最多，僅次于宇宙中的光子。在很長一段時(shí)間內(nèi)，中微子的存在一直沒有得到確認(rèn)，甚至一度認(rèn)為中微子并不存在，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利很早就提出了中微子存在的理論，從β衰變能量守恒的角度看，可能存在一種神秘的粒子。1930年12月，泡利給其他物理學(xué)家寫的信中指出，β衰變過程中可能存在一種電中性粒子，其質(zhì)量非常非常低，通過弱相互作用而存在。 雖然泡利發(fā)覺中微子的存在，但連他自己都很難相信宇宙中還可以存在這樣的粒子，因此泡利推測自己可能做了一件可怕的事情，假定了一個(gè)無法探測到的粒子。不久后，一位意大利物理學(xué)家費(fèi)米證明了泡利的電中性粒子，這就是所謂的中微子。當(dāng)時(shí)還沒有人能夠預(yù)測中微子將徹底改變我們的粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)。到了1950年代，中微子的研究開始進(jìn)入新的階段，鑒于大批核電站處于建設(shè)之中，中微子也開始活躍起來，畢竟中微子也來自核反應(yīng)過程。1956年6月，兩位美國物理學(xué)家在探測器中發(fā)現(xiàn)中微子留下的痕跡。 研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)如同幽靈般的中微子確實(shí)存在，它需要一個(gè)真正的粒子身份。1960年代，物理學(xué)家們計(jì)算發(fā)現(xiàn)，來自太陽的中微子出現(xiàn)了失蹤，大約三分之二的中微子不見了，那么這些中微子哪兒去了？剛開始時(shí)科學(xué)家認(rèn)為這可能是計(jì)算錯(cuò)誤，但是有研究指出，中微子可能在傳播途中出現(xiàn)狀態(tài)變化。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三種中微子類型，即電中微子、μ中微子和τ中微子，后兩者更重，但壽命也更短暫。太陽的中微子形成過程主要形成電中微子，如果電中微子在傳播過程中受到影響，轉(zhuǎn)化為μ中微子和τ中微子，那么就可以解釋為什么來自太陽的中微子會(huì)出現(xiàn)失蹤。 鑒于關(guān)于中微子的狀態(tài)改變僅僅是猜測，科學(xué)家開始建造更大規(guī)模的中微子探測器，更大、更先進(jìn)的中微子探測器投入使用后就可以捕捉到更多的中微子。為了讓探測器與宇宙背景噪聲隔離，中微子探測器自然要建造在地下，這樣才能避開干擾。但是無論如何進(jìn)行屏蔽，地球總在宇宙環(huán)境中，因此中微子也必定會(huì)受到其他來自銀河背景因素的干擾，如何從數(shù)十億干擾項(xiàng)中篩選出中微子信號(hào)，就成了科學(xué)家研究的重點(diǎn)。 1996年，日本東京西北250公里處建造了大型中微子探測器，這就是超級(jí)神岡探測器。1999年，建造在加拿大安大略省鎳礦遺址的中微子探測器也開始運(yùn)行，這就是薩德伯里中微子觀測站。超級(jí)神岡探測器位于地下1000米出，非常深，周圍有一個(gè)巨大的水箱，灌滿了5萬噸的水。當(dāng)然這些水并不是普通的水，而是純度極高的水，當(dāng)一束光射入70米后強(qiáng)度才出現(xiàn)減半衰減，如果是普通的游泳池，僅有數(shù)米的穿透量。在水池的頂部、四周和底部，科學(xué)家安裝了1.1萬個(gè)探測器，用來探測器中微子微弱的閃光。 一般情況下，大部分中微子會(huì)穿過水池，一旦中微子與水分子中的原子核和電子發(fā)生碰撞，就會(huì)發(fā)生相互作用。比如電中微子可形成電子，μ中微子可形成μ子，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)一種幽藍(lán)色的閃光，這就是切倫科夫輻射。有趣的是，切倫科夫輻射形成的基礎(chǔ)是一個(gè)粒子移動(dòng)的速度比光速還快，就會(huì)形成切倫科夫輻射，根據(jù)愛因斯坦的相對(duì)論，超光速顯然是不被允許的。需要指出的是，在純水中光速僅為75%，因此其他粒子的速度可超過光速，由此形成了切倫科夫輻射。 在最初的兩年運(yùn)作期間，超級(jí)神岡探測器發(fā)現(xiàn)了大約5000個(gè)中微子信號(hào)，已經(jīng)超過了科學(xué)家的預(yù)期值，但是與理論值相比仍然有很大的缺口。因?yàn)榭茖W(xué)家估計(jì)中微子具有各向均一型，宇宙中穿過地球的中微子在各個(gè)方向上是大致相同的，但是μ中微子的值卻出現(xiàn)了異常。在超級(jí)神岡探測器頂部探測到的μ中微子和底部有所不同，頂部探測到的μ中微子來自大氣層，而底部出現(xiàn)的信號(hào)來自穿過地球后抵達(dá)日本的中微子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)頂部探測器的信號(hào)比底部更多，這說明中微子的穿過地球時(shí)發(fā)生了某種改變。 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，μ中微子在不同傳播距離上存在不同的改變，比如頂部探測器發(fā)現(xiàn)的中微子行程較短，底部探測器接收到的中微子穿過了整個(gè)地球，因此后者由足夠的時(shí)間進(jìn)行改變?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)μ中微子可轉(zhuǎn)變?yōu)棣又形⒆?，而τ中微子還不在超級(jí)神岡探測器的捕獲范圍之內(nèi)。 對(duì)于加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)而言，其建造在地下2公里，安裝了9500個(gè)探測器，周圍也有1000噸的重水。使用重水的原因在于氘核比氫核多了中子，增加了中微子碰撞的概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電中微子在抵達(dá)探測器前已經(jīng)發(fā)生了狀態(tài)改變。梶田隆章和阿瑟-麥克唐納的實(shí)驗(yàn)證明，中微子在抵達(dá)探測器前確實(shí)出現(xiàn)了味的變化，同時(shí)也證明了中微子具有質(zhì)量。（羅輯/編譯）
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