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【2015诺贝尔奖】物理学奖:揭开中微子的“变身”奥秘

(果壳翻译班/编译)2015年诺贝尔奖颁发给了梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·B·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),奖励他们分别身为各自团队中的核心研究者,和同事一起发现了中微子振荡,在粒子物理领域开辟了新的疆土。

2015诺贝尔物理学奖得主。图片来源:nobelprize.org

狩猎的号角吹响在地球深处的巨大设施中。成千上万的人造眼睛全神凝视,等待着揭示中微子秘密的时机。1998年,梶田隆章的团队证明,中微子似乎会发生“转化”,它们在飞向日本超级神冈探测器的路上变换了身份。被超级神冈探测器捕获的中微子是在宇宙射线和地球大气层的相互作用中诞生的。

而在地球的另一边,加拿大萨德伯里中微子观测站的科学家们则在研究从太阳过来的中微子。2001年,阿瑟·麦克唐纳所带领的研究小组也证明了中微子会切换身份。

这两项实验一同发现了一个被称为“中微子振荡”的新现象。它带来了一个影响深远的结论:长期被认为没有质量的中微子,其实必须是有质量的。这个结论无论是在粒子物理领域,还是我们对宇宙本身的理解,都具有开创性的意义。

“变身”的中微子。图片来源:The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information

不情不愿的主人公

我们生活在中微子的世界中。每一秒,都有数万亿的中微子从你身体中穿过。你既看不到它们,也感觉不到它们。中微子以近乎光速的速度在空间中穿行,却很少和周围的物质发生作用。它们从哪里来的?

一些中微子在宇宙大爆炸时已经诞生了,而在此后,太空和地球上的很多活动—— 超新星爆发、大质量恒星死亡、核电站内的核反应以及自然发生的放射性衰变——还会持续不断地创造出另一些中微子。甚至在我们的身体里,因为钾的同位素的衰变,平均每秒钟就有5000个中微子释放出来。抵达地球的中微子,绝大多数来自于太阳内部发生的核反应。它是宇宙中数量第二多的粒子,仅次于光子。

然而很长时间里,人们甚至不确定中微子是否存在。相反,当奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利(1945年诺贝尔物理学奖得主)提出这种粒子的存在时,其目的主要是为解释β-衰变过程中的能量守恒而做出的绝望尝试。1930年12月,泡利以“亲爱的放射性女士和先生”为抬头,给他的物理学家同事们写了一封信。在信中他猜想,一部分丢失的能量是被电中性的、弱相互作用的、质量很小的粒子带走了。泡利自己都不怎么相信真的存在这种粒子。据说他这么说过:“我做了一件可怕的事,我假设了一种不能被探测到的粒子。”

不久之后,意大利物理学家恩里克·费米(1938年诺贝尔物理学奖得主)提出了一个精妙的理论,这个理论中就包含了泡利假设的那种质量很小的中性粒子。它被称作中微子。没有人预想到,这种微小的粒子同时革新了理论物理学和宇宙学。

直到25年后,人们才真的发现了中微子。机遇降临于20世纪50年代,新建成的核电站中涌出了大量的中微子。1956年6月,两位美国物理学家,弗雷德里克·莱茵斯(1995年诺贝尔物理学奖得主)和克莱德·科温给泡利寄了一封电报——他们的探测器检测到了中微子的痕迹。这一发现表明,幽灵般的中微子是真实存在的粒子。

奇特三人组

今年诺贝尔物理学奖的获得者,解决了一个长久以来困扰众人的中微子谜团。从1960年起,科学家们理论计算出了太阳核反应中诞生的中微子数量(正是这个反应让太阳发光)。但地球上的测量发现,超过三分之二的中微子不见了。中微子究竟哪儿去了?

假说倒是不缺。也许是理论计算的太阳中微子产生方式有错误呢。但有一种解决解决太阳中微子谜团的假说认为,中微子改变了类型。粒子物理学的“标准模型”认为,中微子有三种:电子中微子、μ(缪子)中微子和τ(陶子)中微子。它们都有各自的带电搭档:电子、缪子和陶子,后两者是电子的亲戚,但要重得多,寿命也短得多。太阳只生产电子中微子,但如果在它们抵达地球的途中,电子中微子转变成μ中微子和τ中微子,那就可以理解为什么我们捕获的电子中微子会变少了。

地下追捕中微子

关于中微子转变类型的假说,长期以来只是一个假说——直到更庞大更复杂的设备登场。为了去除宇宙辐射和周围环境中自发的放射性衰变造成的噪音影响,人们在地下建造了巨大的探测器,日以继夜地搜索着中微子。然而,要从万亿假信号中分离出少数真实的中微子信号是一项艰难的技艺。就连矿坑中的空气和探测器本身的材料都会有天然的痕量元素,自发衰变,干扰测量。

超级神冈探测器位于东京西北部250千米处的一个锌矿之中,于1996年投入使用。而在安大略省一处镍矿中构筑的萨德伯里中微子观测站则于1999年开始运行。它们会一同揭示中微子变色龙般的神秘本质。而这项发现今年就被授予了诺贝尔物理学奖。

超级神冈探测器探测大气中的中微子。图片来源:The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information

巨大的超级神冈探测器身处地表以下1000米处,它包含一个40米见方、装有50000吨水的大箱子。箱里的水非常纯,光柱在水中穿行70米才会衰减一半——相比之下,普通游泳池中光衰减一半只需几米。水箱的顶端、侧面和底部装有超过11000个光探测器,它们的任务是发现、放大并测量纯水中出现的微弱闪光。

绝大多数中微子会径直穿过水箱,但偶尔会有一个中微子会撞上水中的某个原子核或电子。这样的撞击会产生带电粒子——从μ子中微子会产生的μ子,从电子中微子会产生电子。这些带电粒子会产生微弱的蓝光,这被称为“契伦科夫辐射”:当粒子超光速运动时,这种光才会出现。这种现象并不和爱因斯坦的相对论矛盾——相对论指出,没有东西可以以超过真空中光速,但在水里,光的速度下降到了最高速度的75%——这个速度,还是可以被带电粒子超过的。切伦科夫辐射的形状和强度取决于引起它的中微子类型和来源。

开始注水时的超级神冈探测器。图片来源:www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp

破解谜题的方法

超级神冈运行的头两年里筛出了大约5000个中微子信号。这比之前的实验要多得多,但依然少于科学家估计的宇宙辐射中产生的中微子总量。

在太空中,宇宙射线粒子会从四面八方出现,当它们与地球大气中的分子全速碰撞时,就产生了“中微子簇射”。超级神冈捕捉到了直接来源于正上方大气层的缪子中微子,此外还有直接穿透地球后从正下方撞击到探测器的中微子。

来自两个方向的中微子的数量本应该是一样多的,地球对于中微子来说不算什么障碍。但是来自上方直接撞击在超级神冈上的缪子中微子,却比来自下方穿透地球的中微子多。这表明,飞行时间更长的缪子中微子,有足够的时间来转换类型;而从上方撞击探测器的缪子中微子只飞行了几十千米,没有这个时间。来自不同方向的电子中微子数量是和预期吻合的,因此缪子中微子一定切换到了第三种形态——陶子中微子。然而,探测器并不能观察到它们的路径。

另一块关键拼图在几年后才得以就位:萨德伯里中微子观测站测量了来自太阳的中微子;太阳的核反应只产生电子中微子。

萨德伯里中微子观测站负责探测来自太阳的电子中微子。图片来源:The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information

在地下2000米深的地方,一个装满了1000吨重水的水箱内,9500个光检测器正在监测着流淌着的电子中微子。重水和普通的水不同,重水水分子中,每个氢原子的原子核内有一个额外的中子,形成氢的同位素氘。氘的原子核可以提高中微子撞上探测器的可能性。

在一些反应中,只有电子中微子的总量是可测的;而还有些反应中,科学家只能测得全部三种中微子的总量之和,而不能对它们加以区分。太阳只产生电子中微子,两种测量得出的中微子的数量本来应该是一样的。因此,如果检测到的电子中微子的数量要比三种中微子的数量之和少,就表明电子中微子在它们从太阳到地球的1.5亿千米旅程中,发生了些什么。

萨德伯里中微子观测站。图片来源:wordpress.com

每秒钟每平方厘米,超过600亿个中微子从太阳抵达地球。萨德伯里中微子观测站在运行的头两年里,每天只能捕捉到3个。这一数字恰好是探测器理论上能够探测到的电子中微子数量的三分之一。三分之二的电子中微子消失了。然而,如果计算三种中微子的总数,则与预期值相符。结论就是,电子中微子在半路上一定发生了身份切换。

量子世界的“变形记”

这两次实验证实了人们的怀疑:中微子会从一种身份转变为另一种。这一发现催生了许多新实验,并促使粒子物理学家们以新的方式思考。

两次实验共同得出了一个突破性的结论。中微子的变身意味着它必须有质量,没有质量就不能变。然而,这种变身究竟是如何发生的呢?

要解释这一现象,必须求助于量子物理。在量子世界里,粒子和波是同一物质的两种不同形态。带有特定能量的粒子可以由与之相应、具有特定波长的波来描述。在量子物理中,电子中微子、μ子中微子和τ子中微子态表示为不同质量本征态的叠加态。

当波处于同相时,不同的中微子是无法区分开来的。但当中微子在空间中运动时,物质波会出现相位差,变成各种叠加态。给出某一地点的叠加状态,就能计算出在该地最可能发现哪种中微子的概率。这一概率会随地点不同而变化——也即振荡,使得中微子以不同的身份出现。

因此,这种奇异的现象是由中微子间的质量差异造成的。实验表明,中微子彼此间的质量差异非常小。此外,虽然中微子本身的质量还未经过直接测量,人们估计它也很小。然而,鉴于中微子在宇宙中数量巨大,微小的质量加总起来便十分可观。据估计,中微子的质量总和约等于宇宙中所有可见的恒星的质量总和。

通往新物理学之门

对粒子物理学界来说,中微子质量的发现具有里程碑式的意义。在粒子物理学中,描述物质最深层结构的“标准模型”长期以来极为成功;二十年的时间里,标准模型从未受到任何实验结果的挑战。但标准模型要求中微子必须是没有质量的。中微子振荡的实验结果是标准模型出现的第一道缺口。今天看来已经很显然了:标准模型不可能是描述宇宙的基础组成部分如何运作的完整理论。

要想发展出超越标准模型的新理论,人们必须回答一些关键问题:中微子的质量是多少?为什么它们的质量如此之轻?除了已知的三种中微子外,还有其他类型的中微子吗?中微子是自己的反粒子吗?为什么中微子与其他基本粒子如此不同?

获得本年度诺贝尔物理学奖的发现,让我们深入了解了此前几乎完全不为人所知的中微子世界。相关实验仍在继续,全世界科学家正在紧锣密鼓地进行着捕获中微子,并检验其属性的工作。揭开中微子严守的秘密,将会改变我们理解宇宙的过去和构造,以及它的前途命运的方式。(编辑:Ent)

文章题图:The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information

编译来源:"The Nobel Prize in Physics 2015 - Popular Information". Nobelprize.org.Nobel Media AB 2014. Web. 6 Oct 2015.

The End

发布于2015-10-06, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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