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

中微子震荡示意图——v是中微子，Ve代表电子中微子，Vμ代表缪中微子，Vt代表陶中微子。

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（），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”。

在粒子物理学方面，杨振宁的其他贡献包括：费米-杨模型(1949)，与李政道合作的二分量中微子理论(1957），与李政道和r.奥赫梅合作的关于c（电荷共轭变换）和t（时间反演变换）不守恒的分析(1957)，与李政道合作的高能中微子实验分析(1959)和关于w粒子的研究(1960～1962）。如果中微子可以振荡，那么太阳中微子在到达地球时便会成为三种类型中微子的混合，而戴维斯的实验仅仅对探测其中的电子中微子敏感，这也就解释了为什么他的实验只探测到理论预言数目的三分之一。费米-杨模型（1949），与李政道合作的二分量中微子理论（1957），与李政道和r.奥赫梅合作的关于c（电荷共轭变换）和t（时间反演变换）不守恒的分析（1957），与李政道合作的高能中微子实验分析（1959）和关于w粒子的研究（1960～1962）。

由于粒子的运动速度很快,接近光速,所以质量在这里的计算相对复杂,而且影响不大,一般不计算质量,视为无关.但是与电量有关,因为在回旋加速器的磁场部分要使粒子回旋就必须知道粒子的电量,才能得出其回旋半径,而电场部分对其加速时,粒子所获得的能量也直接与电量有关,所以说粒子的动能与电量有关,与质量无关.。如果它对外提供相互作用，比如将它的能量（沿用传统物理学中的概念）作用于另外一个粒子，我们发现，我们不能采用温度的概念对这一物理事实进行描述，如果两个粒子的质量存在不同，粒子间的相互碰撞虽然遵守能量转化和守恒定律（常规动能能量与机械运动状态间的定义，也只对两种能量模式的定义关系），但是我们却不能处理两个粒子的温度定义问题，因为碰撞过程中，粒子间的速度会存在变化，有可能使粒子的速度成倍的提高，当然，另一个粒子的动量减少。有“少小出家老大归”意味，有“荣归故里”意味，“有点子承父业”意味，有点“落叶归根”意味，有“收入监牢”意味，有“进入病房”意味”等等象意。

大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并精确测量到其振荡几率，即物理学中的基本参数&mdash。30.日前，大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式，这一科学成果被美国《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破。2012年3月8日，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。

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？

超级神冈实验正是发现了贯穿地球的大气中微子随不同飞行距离的存活几率而发现了中微子振荡。然而,1998 年日本超级神冈实验(super-k)发现大气中微子存在振荡现象,即中微子在飞行中可以变成其他种类的中微子。中微子的实验研究大致可以分成两类,一类是中微子振荡研究,另一类是非振荡物理,包括绝对质量的测量、无中微子双b衰变、寻找惰性中微子、寻找非标准相互作用和反常磁矩,以及中微子天文学等。

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）