中微子研究四获诺贝尔奖，日本科学家“无心插柳”获重要发现

因发现中微子振荡现象，10月6日，日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳荣获2015年诺贝尔物理学奖。

6日晚，中国大亚湾反应堆中微子实验负责人之一、中国科学院高能物理研究所研究员曹俊告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn），中微子来自太阳、地球表面的大气层或者核反应堆等，一共有三种，分别是电子中微子、μ（缪）中微子、τ（陶）中微子。它们以接近光速的速度飞行，在飞行过程中，一种中微子会转变成另外一种，然后再恢复，并周期性地重复这一过程。三种中微子之间的转换，像是川剧中的“变脸”，这被称为“中微子振荡”。

曹俊表示，中微子振荡现象的发现之所以有重大意义，是因为中微子是构成物质世界的基本粒子。整个粒子物理学理论框架中只有12种基本粒子，其中三种是中微子。该理论框架被称为“标准模型”，经过长期发展，已经几近完美，科学家利用该模型一次又一次成功地预测并验证了粒子物理学的现象。在该理论框架中，粒子物理学家将中微子定义为没有质量的粒子，换句话说，它没有重量。但2015年诺贝尔物理学奖得主们的发现颠覆了这一认识。

“如果没有质量，就不会有振荡。振荡现象的发现，证明中微子有质量。这意味着，粒子物理学的理论框架将要被改写、补充。”曹俊说。

三种中微子的振荡，共有三种振荡模式，梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳各发现一种，中国科学家2012年在大亚湾发现了最后一种。

但为什么中国科学家没能与日本、加拿大科学家共享2015年的诺贝尔物理学奖？

曹俊表示，17年前，梶田隆章发现了大气中微子的振荡模式，阿瑟·麦克唐纳证实了太阳中微子的振荡模式。这两个发现已经能够确凿证明中微子振荡现象的存在。2015年诺贝尔物理学奖，意在奖励对这一现象的发现，而非对其振荡模式的发现。

这是诺贝尔奖第四次垂青中微子研究。

1995年的诺贝尔物理学奖授予了发现电子中微子的美国科学家莱因斯；1988年的诺贝尔物理学奖授予了发现第二种中微子——μ中微子的美国科学家莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格；2002年诺贝尔物理学奖授予了发现太阳中微子和超新星中微子的美国科学家雷蒙德·戴维斯和日本科学家小柴昌俊。

“梶田隆章是小柴昌俊的学生。”曹俊介绍说。小柴昌俊主持建设了日本的神冈实验室，1987年，当一颗超新星爆发时，该实验室检测到了来自超新星的中微子，从而拓宽了人类对天体物理学的认知。

“超新星爆发几乎是可遇而不可求的，它是罕见事件，但是在宇宙演化中非常重要，我们太阳系就来自一次超新星爆发的遗迹。组成我们身体的很多元素，只有超新星才能产生，而中微子可能推动了超新星的爆发。”曹俊说。15年后，小柴昌俊凭借这一发现，与美国物理学家戴维斯分享了2002年的诺贝尔物理学奖。

神冈实验室的设立原本是为了研究质子衰变，没想到捕捉到了超新星中微子，随后，日本政府同意建设规模更大的超级神冈实验室，实验室所用的纯水从3000吨增加到50000吨。在小柴昌俊发现超新星中微子11年后，1998年，梶田隆章在超级神冈实验室观察到了大气中微子的振荡现象。

“很多科学设施的重要发现原本不在其建设目标中，意外发现，并改变人类认知，这种研究可能是诺贝尔奖所青睐的。”曹俊表示。

常人拇指指甲盖的面积约是1平方厘米，在这样大小的面积上，1秒钟约有600亿个太阳中微子，以接近光速的速度呼啸而过，从人体穿过，从地球穿过，几乎没有什么停顿。中微子是宇宙中仅次于光子的数量最多的粒子，但人类对其性质知之甚少。

曹俊介绍说，虽然已经证实中微子具有质量，但它到底有多重，三种中微子中哪种更重，现在还不清楚。甚至，中微子具有质量，这一事实如何整合到粒子物理学的框架中，现在还没有定论。这也是中国科学家正在回答的问题。

中微子可以轻松地穿过1000光年厚的铅，所以，有科学家认为，如果对有中微子信号编码为1，无信号编码为0，可以使用中微子进行通信，而且不用担心信号强度和巨大的空间距离。

2012年3月，美国美国北卡州立大学以及罗彻斯特大学科学家们史无前例地利用一束中微子完成了信息传递，其研究论文同年发表在《现代物理学快报》（Mod. Phys. Lett. A 27 (2012) 1250077）上，文章标题为《中微子通信的演示》（Demonstration of Communication using Neutrinos）。但即便是他们，也认为中微子通信现阶段还不实用，因为需要复杂的设备。

曹俊解释说，实现中微子通信的主要难点有二，一是需要一个产生中微子的设备，即强大中微子源；二是需要巨大的探测器，来监测中微子信号。但问题是，中微子即便传过来了，也可能没留下信号就穿过去了，因为它与其他物质的相互作用太弱了，这是它的特点。

那么研究中微子究竟意义何在？“这是一种基本粒子，是我们物质世界最基本的规律，必须回答”。曹俊这样表示。

（中国科技大学物理系博士王钊对本文亦有贡献）