中微子震荡问鼎粒子物理新篇开启

作者: 倪思洁、李瑜

来源: 中国科学报

发布日期: 2015-10-08 08:51:34

日本和加拿大科学家因发现中微子振荡获诺贝尔物理学奖,这证实了中微子有质量,并揭示了粒子物理标准模型的不足。中微子振荡的发现是通过超级神冈探测器完成的,这一发现并非计划中的结果,而是意外之喜。中微子振荡的重要性在于它表明中微子具有质量,这一发现推动了粒子物理的进一步研究。中国在大亚湾中微子实验中取得了重要成果,目前正在推动江门中微子实验,以进一步研究中微子质量。

10月6日下午,诺贝尔物理学奖揭晓。日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳获奖,原因是发现了中微子振荡,证实了中微子有质量。粒子物理,可谓诺贝尔物理学奖的“宠儿”。这是粒子物理领域第19次获得诺贝尔物理学奖。2013年,诺贝尔物理学奖授予了希格斯粒子的发现者,而希格斯粒子对于完善粒子物理的标准模型具有重要的价值。而与此相反,中微子振荡的发现,则说明粒子物理的标准模型并不完美。

今年,日本获奖者的发现来自一个名叫“超级神冈探测器”的大家伙。在超级神冈实验之前的几十年里,太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象,一直令人困惑不解。1998年,超级神冈实验发现,一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子,使中微子的丢失得到了合理的解释。这种现象后来被称为“中微子振荡”。然而,也许很多人不知道的是,日本科学家当初对于这一物理现象的发现,却并非“直奔主题”,发现它纯属“无心插柳”。

中微子,属于构成物质世界的基本粒子,按照粒子物理标准模型的预测,中微子没有质量,也不会发生振荡。而后,科学家却发现了中微子的振荡。中微子振荡之所以重要,正是因为它告诉我们中微子是有质量的。探测到振荡,并不容易。很早以前,人类就发现了中微子的存在,而且证明确实存在三种中微子,分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子,这三种中微子占了12种基本粒子的四分之一。但是,中微子之间的作用机制一直是个谜。

尽管此次诺贝尔物理学并未出现中国人的身影,但中国在粒子物理领域却仍然有着举足轻重的地位。中国在反应堆中微子振荡领域是世界上做的最好的。曹俊所说的“最好”,指的是大亚湾中微子实验。该实验由中科院高能物理研究所的科研人员2003年提出,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,寻找中微子的第三种振荡。

2012年3月,大亚湾中微子实验组织发言人宣布,大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。当下,中国还在推动中微子质量的研究。今年1月,继大亚湾反应堆中微子实验之后,由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验在广东省江门市建设启动。其首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序。实验站将建在地下700米深处,计划2020年投入运行并开始物理取数,运行至少20年。

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