2015诺贝尔物理学奖，荣耀归于中微子。北京时间10月6日下午，2015诺贝尔物理学奖颁给加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章，以表彰他们通过中微子振荡发现中微子有质量这一研究成果。中微子如幽灵一般，不但神秘而且孤僻，因为它们几乎不与周围的物质世界发生相互作用。中微子在物理学史上一直有着救场粒子的美名。
著名物理学家沃尔夫冈·泡利当初构想出这些粒子，就是为了挽救β辐射中能量和动量的守恒。最近，中微子又在解释宇宙中的物质为何远远多于反物质的努力中充当起了先锋。中微子质量告诉我们标准模型需要被拓展，但它没有告诉我们如何去拓展。很多新的理论希望填补这些缺陷，这其中包括大统一理论、超对称和弦论。它们当中的某一个，或许解释中微子为何如此奇异，从而拔得头筹。
反过来，中微子本身则会告诉我们，哪个理论才是众望所归。标准模型对中微子描述的第一道裂缝，出现在16年前。在那之前，很多物理学家都跟随标准模型，假设中微子没有质量。但是到了1998年，日本的超级神冈实验证实情况并非如此。中微子总是偏爱和电子、μ子和τ子中的某一种一起被发射和吸收，因此，它们也被相应地分成3种味：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。
超级神冈研究了来自不断轰击地球大气层的宇宙线中的μ子中微子，发现它们能够在穿透地球的过程中变身为电子中微子。其他一些实验则对核反应堆、粒子加速器及太阳核衰变过程中产生的中微子进行了探测，同样证实了这种现象的存在。无论中微子发射出来时属于那一种，在传播过程中都会变成什锦冰淇淋一样的味道混合体，每个冰淇淋球都包含了所有的3种味道。按照量子力学，要想这种变换有可能发生，中微子必须具有质量。
实际上，我们现在认识到，每种味的中微子在传播过程中都会变成一个周期变化的混合态，而且这3种混合态各不相同。测量一个能轻易穿透一光年厚铅板的不可见粒子，这说起来容易做起来难。捕捉中微子是个耐心活，要用足够大的探测器，还要盯足够长的时间，直到那极其微小的相互作用概率终于显现一次。用这样的方法，我们已经在两个截然不同的尺度上追踪到了中微子：亚原子世界和浩渺宇宙。
70年前，恩里克·费米就预视到，可以通过测量β衰变来测量中微子的质量。在一个典型的β衰变中，原子核内的一个中子变成质子，同时放射出一个电子和一个电子反中微子。尽管反中微子无法直接探测到，费米却勾勒出一种方法，通过伴随电子的能量和动量，推测出这个反中微子的质量。但是，由于中微子的质量实在太轻，直到目前，我们仍没有达到所需的探测灵敏度。
不过，德国卡尔斯鲁厄理工学院正在搭建一台名为KATRIN的极为灵敏的实验装置，有可能在未来几年将第一个测出中微子质量的荣誉揽入怀中。与此同时，对中微子质量的另一个严格限制来自宇宙：粒子会在各种地方留下自己的指纹——在大爆炸和超新星爆发产生的元素混合中，在宇宙膨胀速率中，在微波背景辐射中，抑或是在物质聚合成星系和星系团的过程中。
众多宇宙学测量的结果综合表明，3种中微子的质量加起来不能超过0.3电子伏特，仅有质量排名倒数第二的电子质量的不足百万分之一。要从这个质量之和里区分出单独某味中微子的质量非常困难，因为它们总是处在不断变换之中。不过测量这种振荡也可以给我们提供参考，对目前最佳数据的分析给出最轻的中微子质量大约在0.05电子伏特。不过事情并未水落石出。
“为什么与其他东西比起来，中微子的质量小得如此出奇，这仍是怪事一桩，”克洛斯解释说，“似乎它们本来想无事一身轻，但被宇宙算计了。”好像这3种“正常”中微子还怪异得不过瘾似的，某理论甚至提出，可能还有一种或几种“惰性”（sterile）中微子，暗暗跟随着它们。
正常中微子还能感受到弱核力，因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下，惰性中微子却不同——它们只能感受到引力，从而完全不与普通物质发生相互作用。惰性中微子对理论物理学家颇有魅力，因为发现它们就可以跳出标准模型的樊篱，而且不仅可以解释暗能量，甚至能直达物质本源问题。“它们还有可能参与了标准模型之外、我们迄今还没发现的新基本相互作用，”费米实验室的理论物理学家鲍里斯·凯瑟补充说。
日本的超级神冈中微子探测器，发现了标准模型对中微子描述的第一道裂缝。过去几年间，在实验中已经蹦出一连串反常事件，指向一种甚至几种质量大概为1 eV的惰性中微子。这个质量既不满足标准模型，也不在大统一理论的预言范围之内。所以，只要证实它们的确存在，研究者梦寐以求的新物理就唾手可得了。最近，由近200位中微子专家组成的国际研究小组发表的一篇关于惰性中微子的“白皮书”，折射出大家对此的兴趣正在升温。
该白皮书描绘了21个或正在进行、或计划实施、或还在提议中的捕捉惰性中微子的实验。“一大堆研究机构都对此兴奋异常，”欧洲核子物理中心的物理学家、诺贝尔奖得主卡罗·鲁比亚谈到，“我们希望能很快看到进展。”除了惰性中微子，研究者还在追踪另一项宝藏——寻找中微子和反中微子之间的差异。这将有助于解释，为什么我们这个宇宙中是物质占据了主导。
按照目前我们对宇宙学和粒子物理学的最佳理解，物质和反物质在大爆炸中被创造出来，数量应该是相同的。接下来就是一场相互作用的风暴，物质和反物质本应短兵相接，同归于尽，只留下光子充斥整个宇宙。然而很明显，事情并不是这样发生的。“为什么宇宙完全由物质构成，对此我们还没有很好的答案，”美国麻省理工学院的詹尼特·康拉德评论说，“这实在是个让人很尴尬的问题”。
美国哈佛大学的亚历山大·索萨说：“这大概是关于这个宇宙，我们能提出的最为根本的问题了。中微子能为我们打开一扇窥探这个问题的窗口。”这扇窗口就是所谓的轻子生成理论，它依赖于一种被称为CP破缺的现象。所谓CP破缺是说，在你观察一个粒子反应的同时，另一个在镜子中的人观察由这个粒子的反粒子发生的同一种反应，你们看到的反应速率会稍有差别。
这种现象在由夸克构成的复合粒子中已经被实验证实，但观察到的速率差别不足以解释为何大爆炸创造的反物质荡然无存。
轻子生成理论则假设，在大爆炸后的第一微秒内，年轻而炽热的宇宙包含极重的不稳定惰性中微子，后者很快就发生衰变，其中一些衰变成轻子，剩下的则衰变成这些轻子的反粒子——关键在于，这两种衰变的速率不同，这个差异只需要很小，小到十亿分之一，就可以让物质最终取胜，在消灭所有反物质之后，仍能有足够的轻子留存下来，最终形成质子和中子，继而产生恒星，星系和行星。
人们认为，这些重惰性中微子和它们在标准模型中的同伴，在早期宇宙中相互纠缠难解难分，之后经由一种名为翘翘板机制的物理过程，普通中微子在极热的宇宙中通过与这些重伙伴的相互作用，获得了自己轻得离奇的质量。如果这幅轻子生成的图像是正确的，我们就应当观察到中微子和反中微子之间同样存在轻微的差异。到目前为止，实验物理学家还没有发现任何令人信服的中微子CP反常。
美国费米实验室的MINOS项目曾在2010年制造过一场小小的波澜，宣称发现μ子中微子及其反中微子在长距离传输过程中，各自的味道混合方式存在微小差异。但到了2012年，积累了更多数据之后，这个差异又不见了。不过，瞥见CP破缺的胜算还是不小的。2012年，中国大亚湾核电站中微子实验项目的研究人员对一个名为θ13的参数进行了测量，这个参数描述了中微子如何在不同味之间来回变换。
如果θ13数值比较小，就意味着CP破缺很难被发现，如果是零就完全排除了CP破缺的可能性。让研究者宽心的是，测量出来的θ13大得有点让人意外，暗示在实验中发现CP破缺的可能性很大。美国伊利诺伊西北大学的理论物理学家安德烈·德戈维亚说：“我想我们现在已经大局在握了。”第一个详细结果可能会来自于费米实验室的新星（Nova）项目，它建造的卖点就是最有可能探测到中微子CP破缺。
用索萨的话说，“新星是未来10年唯一能对此一探究竟的实验。”不过即便中微子真的表现出CP破缺，故事也没结束。只有当包括惰性中微子在内的所有中微子都是所谓的马约拉纳粒子时，轻子生成理论才会起作用。这意味着，跟标准模型中大多数粒子不同，这些中微子与它们的反粒子完全相同，通过翘翘板机制获得质量。如果确实如此，我们应该能观测到一种名为无中微子双β衰变的过程，而标准模型对这种过程一筹莫展。
在通常的β衰变中，一个中子变成质子，同时放出一个电子和一个电子反中微子。有些原子核则能同时发生两个β衰变，此时应该有2个电子反中微子发射出来。但如果反中微子和相应的中微子完全相同，这两个反中微子就相当于一个中微子－反中微子对。如此一来，刚一发射，它们就会相互湮灭成2个光子，结果整个核反应只产生了2个光子和两个电子。
“无中微子双β衰变是证明中微子就是马约拉纳粒子的目击证人，”美国劳伦斯·伯克利国家实验室的艾伦·蓬解释道，“它能向理论物理学家透露很多信息，提示他们如何修正标准模型，而且它还可以联系到极早期宇宙，关系到为什么物质比反物质要多。”无中微子双β衰变的另一个诱人之处在于，中微子的质量会影响该反应的速率，让我们得以同时确定中微子的质量。
“你可以一箭双雕，一手抓住最轻中微子的质量，一手证明中微子是马约拉纳粒子，”加拿大女王学院的粒子天体物理学家阿特·麦克唐纳对此充满期望。眼下，只有一个小组声称观察到了无中微子双β衰变，这个俄－德合作小组在2002年发表了对锗原子衰变的研究工作，但其他实验都未能再现他们的结果。
新的发现来自位于美国新墨西哥州卡尔斯巴的浓缩氙观测站，在那里对一大罐液态氙的探测表明，无中微子双β衰变就算存在，也极其罕见，也许概率小到根本无法探测。不过尽管如此，极高的回报率仍吸引着多个研究项目在继续寻找这种衰变。有关中微子还有很多问题可问。美国哈佛大学的理论物理学家、诺贝尔奖得主谢尔顿·格拉肖认为，目前需要的是更多更好的实验。他认为，“现在没什么好研究的，除非我们有一些实验作为向导。
”弗朗西斯·黑尔岑也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文台的负责人，领导着这个在南极冰层下测量穿过地球的宇宙中微子的实验项目。“我们追逐的是与中微子振荡相关的新的物理，这就意味着我们也许会发现中微子具有标准模型之外的相互作用，也许会发现在3种标准中微子之外，还有惰性中微子也参与其中，”他说，“甚至发现完全在我们预料之外的什么东西”。他们也都指出，目前的问题在于中微子源。
接下来的实验计划中有长基线中微子项目，由费米实验室运行。它将发射一束密集中微子，穿过数百公里的地层，到达一个重达数千吨的大型探测器。另一个项目是英国至日本中微子工厂，计划在英国产生密集中微子束轰击在世界另一端位于日本的探测器。这两个实验项目都需要数十年的建造时间和数十亿美元的投入。不过鲁比亚说，这些都物有所值。
“这是一个有可能做出新发现的领域，但是我们不知道新的发现将来自何方，因此必须鼓足功败垂成的勇气，虚心以待。”