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诺贝尔物理学奖得主,研究的是可以穿过我们身体的中微子

Dennis Overbye2015-10-08 22:10:00

宇宙比我们想象的更为浩瀚神秘,但人类的好奇心会驱使我们不断前进。

因为发现了被称为中微子(neutrino)的神秘原子内粒子也有质量,东京大学的梶田隆章(Takaaki Kajita)和安大略省皇后大学的阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)在周二获得了诺贝尔物理学奖。

他们的实验改写了宇宙的质量平稳状态。中微子曾经被认为是没有质量的,但数十年的研究让天文学家得出结论:宇宙中所有中微子加起来的质量大约相当于所有星球质量之和。

加拿大安大略省皇后大学的阿瑟·麦克唐纳在周二与梶田隆章分享了诺贝尔物理学奖。加拿大安大略省皇后大学的阿瑟·麦克唐纳在周二与梶田隆章分享了诺贝尔物理学奖。

继由光承载的粒子光子之后,中微子是宇宙中存在最广泛的粒子。浩如烟海的中微子是大爆炸的遗留产物,还有更多的中微子则是在星球内部以及通过核反应形成的。它们可以穿过地球和我们的身体,就像风穿过一扇纱门。

它们还能以三种不同的形态(或者在物理学术语里叫“味”[flavor])存在——而这是发现它们真正特性的关键。

由梶田的团队在日本的超级神冈探测器(Super-Kamiokande Collaboration)以及麦克唐纳的团队在安大略省萨德伯雷中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)的观测显示,中微子能在穿越大气或者太空的时候,通过振荡改变它们的形态,就好像逃亡中的间谍一样。根据量子物理学的理论,如果它们的形态可以改变,意味着它们有质量,而了解到这一点,能让天文学家理解宇宙的演进、太阳是如何工作的,以及超新星爆炸是怎么回事。

“对于粒子物理学家来说,这是个历史性的发现,”颁发诺贝尔奖的瑞典皇家科学院在一份声明中说道。“此前针对物质最深处的运作机制所创立的标准模型(Standard Model)非常成功,克服了 20 多年来所面临的各种实验挑战。然而,由于它的前提是中微子没有质量,所以新的观测已经证明,标准模型无法作为一套完整的理论来解释宇宙的基本构成。”

在由诺贝尔奖委员会发布的采访中,麦克唐纳说,在瑞典皇家科学院打来的电话也把他妻子吵醒之后,“我抱了抱我的妻子”。

在东京大学举办的新闻发布会上,梶田隆章说:“当然了,我想感谢中微子,既然中微子是由宇宙射线创造出来的,我也想谢谢宇宙射线。”

梶田隆章将和麦克唐纳分享 800 万瑞典克朗(约合 96 万美元)的奖金。

梶田隆章在东京大学。梶田隆章在东京大学。

自 1930 年起,中微子就一直让物理学家和天文学家们非常心焦,当时沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)用它们的存在来解释了中子衰变时能量的流失。

他后来开玩笑说自己做了一件可怕的事:“我假设出了一种无法被探测到的粒子。”中微子极少和普通物质碰撞,所以在理论上讲,它能穿越厚达一光年的铅,而没有任何反应现象。

但在很久之后,中微子确实撞到过一次原子,形成了一阵可被探测的碎片雨。1956 年,弗雷德里克·莱茵斯(Frederick Reines)和克莱德·科温(Clyde Cowan)曾在一个核反应堆中探测出了中微子流。实验人员后来发现,实际上存在三类中微子:电子、μ子和陶子。

多年之后,布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的研究人员雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)开始用设置在南达科他州利德霍姆斯特克金矿(Homestake Gold Mine)里的一个装满干净液体的罐子来捕捉中微子。由于他估计的数字不足,导致他认为我们的物理理论和太阳之间要么有一个出了问题,要么都有问题。

但至少我们有了一个关于中微子问题的答案。意大利理论家布鲁诺·庞泰科沃(Bruno Pontecorvo)在原子内的另一种粒子 K 中介子的启发下,在 1957 年提出,中微子可能会在不同的特性之间振荡。

在这种预设下,太阳内部产生的一种形态的中微子可能会转化成另一种不可探测的形态,然后才会到达霍姆斯特克。

理解这些粒子的渴望驱使着物理学家们深入了地下,在那里,他们做实验时就能屏蔽掉宇宙射线。

梶田隆章 1959 年出生于日本东松山,在东京大学获得了博士学位,在一次超级神冈探测器的实验中,他曾切掉了自己的牙齿。超级神冈探测器的目的是要看看组成普通物质的基础粒子光子是否会衰变(到目前为止还没有衰变)。

他之所以会对中微子感兴趣,是因为它是他实验中的噪音源。超级神冈探测器是一个 120 英尺(36.576 米)深的罐子,装满了超纯水,它是 1996 年在一个旧锌矿上建成的,用来分辨宇宙射线产生的 μ 子。它的探测器能记录下中微子撞击导致的碎片加速离开时产生的闪光。

从理论上讲,由于地球对于中微子来说是透明的,所以从探测器上端和下端飞入的中微子数量应该是相同的。但实际上,上端飞入的粒子更多,这说明穿过地球的中微子振荡成了一种探测器无法读出的形式

这种振荡说明,不同“味”的中微子质量不同。梶田隆章说:“这个物理现象很明显已经超出了粒子物理标准模型解释的范围。”

宇宙粒子研究领域的另一成就是由在萨德伯雷中微子观测站的麦克唐纳和他的团队做出的。麦克唐纳 1943 年生于加拿大新斯科舍省悉尼市,在加州理工大学拿到了自己的博士学位。

他的探测器也在地下深处,可以从其他中微子中分辨出电子中微子,还可以测量电子中微子的大小,并数出它的总数。

在预计学理论预测出的三种电子中微子中,麦克唐纳的团队只记录到了三分之一。但当物理学家们计算粒子总数时,其他三分之二的粒子数量又补足了。2002 年,该团队报告称,在从太阳到地球 8 分钟的旅程中,三分之二的电子中微子转化成了 μ 子和陶子。

“我们有极为明确的结果表明,中微子的确会从一种类型转化为另一种类型,”麦克唐纳在接受诺贝尔奖委员会采访时说。

周二宣布获奖消息不会是故事的结束。位于伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)已经把它大部分的未来研究重点放在了中微子研究上——特别是其中的“深度地下中微子实验”(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE),它将会把从费米实验室来的中微子成束地照在一个位于南达科他州的探测器上,以研究它们的振荡。

费米实验室副主任乔·莱肯(Joe Lykken)在一封邮件中说,这种做法非常合适。他说:“DUNE 能让我们重回南达科他的霍姆斯特克矿,1960 年代,雷·戴维斯(Ray Davis)在那里收集到了关于太阳中微子的第一批数据,从而启发了现在获得了诺贝尔奖的实验。”

翻译  is译社 葛仲君

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