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中微子:这个发现改变了很多

/ 编辑 / 2016-01-11

梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳在1998年和2001年分别进行实验并观测到中微子振荡现象。这一发现验证了长期以来科学界对于我们所生活的星系的母星——唯一的恒星太阳——所建立的物理模型。然而,通过标准太阳模型计算得到的应抵达地球的中微子数量与实际观测不符,这就是历史上的“太阳中微子问题(solar neutrino problem)”。这个问题从60年代一直困扰科学界至2002年,最终被阿瑟•麦克唐纳的斯诺(SNO)实验终结。

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2015年10月6日,瑞典皇家科学院将该年诺贝尔物理学奖颁发给梶田隆章(Takaaki Kajita)与阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),以表彰他们在发现中微子振荡,从而证明了中微子具有质量的研究作出的贡献(“for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass”)。其中,梶田隆章与另一名日本物理学家户塚洋二(Totsuka Yōji)在1998年通过超级神冈探测器(Super-KamiokaNDE)观测到了中微子振荡。

米歇尔·戈南(Michel Gonin)博士

一个月后的11月26日,上海交大巴黎高科评论在巴黎综合理工学院(Ecole Polytechnique)采访了该校物理系教授、法国国家科学研究中心研究主管米歇尔·戈南(Michel Gonin)博士。

米歇尔·戈南先生在斯特拉斯堡大学(University of Strasbourg)取得了他的核物理博士学位,2004年开始在巴黎综合理工学院任教,从2005年起开始进行中微子研究。戈南博士与他所在的团队曾经亲身参与到超级神冈中微子探测器的一系列具体实验中:他们的团队在距离神冈探测器300公里以外的东京北部使用粒子加速器产生出中微子束,控制中微子束的方向、形状、强度等,使其穿过地层抵达神冈探测器,并由另外一个团队对粒子束进行进一步研究。

“验证太阳模型的唯一方法就是检测中微子。”

中微子(neutrino)这种粒子对大众而言或许有些陌生。记忆力好的读者大概还能记得几年前的末日电影《2012》中,让地球灾难频发、人类几乎灭亡的世界末日的源头,是九星连珠与一系列超强的太阳爆发。电影中描述到,超强的太阳活动释放出的中微子数量达到了无法测量的程度,以致于太阳中微子开始与地核发生物理反应,加热地核,并在几年后引发了地球板块的崩溃。

正是这一牵动整部电影脉络的情节在2011年遭到了NASA的批评,也使得《2012》被评为最不科学的科幻电影之一——中微子是一种电中性的轻子,只参与弱相互作用以及引力相互作用。由于弱相互作用作用距离非常短,而引力相互作用在亚原子尺度下又是十分微弱的,因而中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍,且难以检测。

然而,梶田隆章与阿瑟·麦克唐纳在1998年和2001年分别进行实验并观测到中微子振荡现象。这一发现验证了长期以来科学界对于我们所生活的星系的母星——唯一的恒星太阳——所建立的物理模型。“太阳能来自于太阳内部的核聚变,它是一个生产氦的工厂。在20世纪60年代初,科学家们想要检测标准太阳模型(Standard Solar Model,SSM),也就是验证太阳是否真的是一个聚变反应器,而验证太阳模型的唯一方法就是检测中微子。”

然而,通过标准太阳模型计算得到的应抵达地球的中微子数量与实际观测不符,这就是历史上的“太阳中微子问题(solar neutrino problem)”。这个问题从60年代一直困扰科学界至2002年,最终被阿瑟•麦克唐纳的斯诺(SNO)实验终结。

“为了得诺贝尔奖,我们需要耐心等待。”

2001年的斯诺实验发现了中微子振荡,并证明了太阳模型是正确的。随后物理界进行了中微子的量子振荡实验,并第一次观测到中微子的消失现象。

我们注意到了一个时间上的问题:瑞典皇家科学院在距离1998年的梶田-户塚实验17年、距离2001年的阿瑟·麦克唐纳实验14年后才颁发了该诺贝尔物理学奖。“我觉得,”戈南博士这样评论到,“是因为这个发现需要其他实验的验证。所谓中微子的量子振荡,指的是中微子从电子中微子开始振荡,也就是消失,但是会以另外一种形式出现,就像天平的两端。” 1998年的超級神冈探测器和2001年的斯诺实验只观测到了中微子的消失过程,但并没有看到中微子以另一种形式出现。

中微子振荡需要另外的实验结论的验证,2011年米歇尔・戈南博士参与的T2K(Tokai to Kamioka)实验做到了这一点。实验团队借助超级神冈探测器对人工中微子进行更进一步的研究,“该项目在2011年观测到了中微子以渺子的形式出现。这个发现真正验证了中微子振荡现象,因为它观测到了振荡后μ中微子的出现。”

实验成功后时隔多年才获得诺贝尔奖的事迹非常常见。2014年物理学奖得主之一赤崎勇凭1989年发明蓝色发光二极管获奖,2008年的医学奖得主之一弗朗索瓦丝·巴尔-西诺西(Françoise Barré-Sinoussi)凭1983年发现HIV病毒而获奖。根据2014年《自然》杂志刊登的一篇研究文章,等待获得诺贝尔奖的时间越来越长了:在1940年以前,只有11%的诺贝尔物理学奖、15%的诺贝尔化学奖、24%的诺贝尔生理或医学奖的研究发现需要等上超过20年才颁发给发现者。但到了1985年,以上三个数字分别变成60%、52%和45%。

“诺贝尔奖评选委员会非常的谨慎,他们不希望获得诺贝尔奖的发现在几年后就被证伪,因此获诺贝尔奖常常需要很多时间,有时候要三十年,甚至四十年。有时不幸的是,某个发现的主要参与人员过世了,他也就无法获得诺贝尔奖了,因为诺贝尔奖只颁给在世的科学家。”戈南先生这样解释到。

“为了得诺贝尔奖,我们需要耐心等待。”

“很多发现要在40年后才在日常生活中能有广泛的应用。”

除了实验结论需要长期的后续研究才能得到验证之外,如此庞大的实验在整个过程中如何克服可能遇到的种种困难,也是一项考验研究团队的任务。

“以我们观测μ中微子出现的T2K项目为例,在我们刚开始项目的时候,第一个困难就是资金问题。”中微子研究作为现代物理学的尖端科研题目需要大量的资金投入,戈南博士所在的团队需要说服各国相关领域科研负责人为项目的开展注入资金。参与T2K项目的国家一共有二十多个,项目组中有日本、欧洲、美国、南美、加拿大等等的团队。而项目组的解决方法是向法国或是其他参与研究的国家申请资金,“我们需要首先让其他科学家信服,然后让科研负责人相信这是一门有趣的物理科研项目,让他们愿意为之投资。”

尖端物理科研绝对是一项投资。米歇尔·戈南博士同时参与了一项位于中国的中微子研究项目,名为JUNO。JUNO的全称是江门中微子实验站(Jiangmen Underground Neutrino Observatory),在一年前启动。根据JUNO官方网站公布的信息,实验项目组将设计、研制并运行一个国际领先的中微子实验站,以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数,并进行其它多项科学前沿研究。

“在日本(超级神冈探测器实验)我们用加速器产生中微子,在中国,我们则用核反应堆来生成中微子。”JUNO计划通过探测来自阳江核电站与台山核电站反应堆的中微子能谱,精确测量反应堆中微子的振荡信号,以确定中微子质量顺序。JUNO的第一次试验预计将在2019年开始。

中国科学院在JUNO项目中出资不菲,整个项目大概耗资3.5亿美元。“日本的下一个项目将使用究级神冈探测器,而美国的中微子研究项目叫做DUNE(Deep Underground Neutrino Experiment),将花费10亿美元。”戈南博士向我们介绍道。

筹措资金的难度不仅仅在于数目的巨大,更在于中微子研究(以及其他理论物理研究)本身的特点。“就目前而言,这项理论物理发现的应用前景还难以预言。”即便是在世界一流的高等教育学府中,中微子也不是一项谁都可以涉足的研究课题:它既有帮助粒子科学家探寻物质微观结构的一面,也有帮助天体物理学家了解星体与宇宙演变的一面——这始终没有走出理论研究的领域。“目前这项发明还没有到应用物理的领域。”戈南博士很确定地说,“很多发现要在40年后才能在日常生活中有广泛的应用。”

当然这不代表中微子研究注定停留在草稿纸、黑板与数学演算上,实际生活中也可以有中微子的一片用武之地。“比如通过中微子我们可以实现快速通讯,因为中微子几乎不和物质发生作用,所以在通讯领域我们可以使用中微子。我们还可以使用中微子来验证一个国家是否拥有原子弹。”至于民用中微子技术何时能得到发展,依旧难以预料。

“我们在日本遇到的另一个问题是2011年的地震。”2011年3月11日日本仙台以东太平海域发生9.0级地震,引发海啸与福岛核泄漏事故,这也使得T2K的研究项目耽搁了一年的时间,给实验团队搜集数据等工作造成了很大的麻烦。此外,团队还面临着加速器方面的技术难题、各国科研团队之间的交流与合作等问题。所幸的是,这些困难在实验过程中逐渐得到化解,T2K项目最终也取得了阶段性的成果。

“中微子质量的来源依然是个迷。”

有关中微子的发现与研究历史上已经多次赢得诺贝尔物理奖:1956年,美国科学家克莱德·科温(Clyde Cowan Jr)和弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)观测到了中微子诱发反应,第一次从实验中得到中微子存在的证据,近四十年后荣获1995年的诺贝尔物理学奖;1962年,美国物理学家利昂·莱德曼(Leon Lederman)等人发现不同的中微子,获得1988年的物理学奖;2002年,美国科学家雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis Jr)和日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)因在中微子天文学的开创性贡献而获奖。而使今年两位得主获奖的科学发现——中微子量子振荡现象说明中微子质量不为零,然而中微子质量的来源依然是个迷。这也是为什么中微子乃至整个基本粒子领域的研究依旧是全球科学界关注的重点之一。

提到现代物理在基本粒子上的研究,有一项科研项目不可不提:在阿尔卑斯山脉的深处,瑞士日内瓦近郊的山中深藏着欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)。这个巨大的周长27公里的圆环对撞型粒子加速器总计耗费八十亿美元,从2008年开启以来已经进行过多次实验。在丹·布朗(Dan Brown)2000年的虚构小说《天使与魔鬼》中,就是这里制造出了差点毁掉整个梵蒂冈城的反物质。

小说之外的现实中,LHC对撞机确实有过一些不得了的发现:2013年3月,欧洲核子研究中心宣布他们在2012年7月探测到的新粒子是希格斯玻色子(Higgs boson),常被媒体称作“上帝粒子”,因为这粒子在当今物理学中处于极为中心的位置,对我们理解物质的结构极为关键、也极为难以捉摸。“希格斯玻色子解释了为什么有些粒子具有质量,但是无法解释中微子具有质量的现象,所以我们需要找到中微子具有质量的其他解释。”

对于中微子质量来源的猜想有很多,其中一个与热爱科幻电影的人们常常提起的一个词有关:“高维空间”。 “有的理论告诉我们,我们生存的空间可能是八维的、甚至十一维的,这些高维空间造成了中微子的质量。” 克里斯托弗·诺兰2014年执导的《星际穿越》让“五维空间”这样的词语成为了许多理科男生在电影后与女伴的谈资。高维空间是物理研究中时空观的重要元素,目前仍旧处于我们的想象当中,正如马修·麦康纳所饰宇航员所进入的那个五维空间也只存在与电影中,但是中微子的质量问题“可能证明了我们生存的世界存在超过四维的维度”,戈南博士这样解释道。

除此之外,物理学家们认为中微子与万有理论(Theory of Everything)有着关联。长久以来物理学家们一直希望能够将四种力——即四种基本相互作用(引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用)统一在同一理论体系下。从爱因斯坦开始,寻求力的统一模型一直是现代物理学的终极靶标。“我们认为,在宇宙之初仅有一种力,即‘原力’(La Force),正如《星球大战》中说的一样。”戈南博士开玩笑似地说到。至今为止,寻求万有理论尚未成功,万有引力尚未与其他作用力统合。因此,粒子物理学者期望正在进行的探索新粒子的实验能够给万有理论的研究提供新的思路。

新的思路意味着更进一步的探索。诺贝尔奖给中微子研究带来的关注热度注定会慢慢消退,但物理学界对于这一理论前沿难题的研究则不会衰减。尽管中微子研究的应用前景并不明朗,依旧存在许多理论问题有待解释,但正如戈南博士所说,“这个发现改变了很多。”如果真理真的可以被人类所探知,那么我们一定离它又更近了一步。(采访:蒋相和、翁昊森,文:翁昊森)