中微子振荡小史：2002年，日美科学家共获诺贝尔物理学奖(2)

有关中微子振荡的想法有着不短的历史。 事实上， 早在中微子的兄弟被发现之前， 也早在太阳中微子问题出现之前， 就有人提出了中微子振荡的想法， 此人就是我们在 上节 中提到过的那位出生于意大利的核物理学家庞蒂科夫。 1958 年， 庞蒂科夫提出了中微子和反中微子相互振荡的可能性。 在 μ 子中微子被发现之后， 1967 年， 他与时俱进地修改了自己的猜测， 提出电子中微子与 μ 子中微子也有可能发生振荡。 从某种意义上讲， 他的这些猜测可以说是预言了太阳中微子问题的出现， 因为中微子振荡必然会导致只对电子中微子敏感的中微子探测器无法探测到全部中微子。 当戴维斯的 Homestake 实验让太阳中微子问题粉墨登场后， 庞蒂科夫又与俄国物理学家格里波夫 (Vladimir Gribov, 1930-1997) 一起， 在第一时间重申了自己的猜测。

【文摘】双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子zdr、传播常数差kdp、相关系数ρhv（0）等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。1998年，日本超级神冈实验（super-kamiokande）首次探测到大气中微子（宇宙射线与大气中的粒子发生相互作用产生的中微子）的振荡。以国际上探测面积最大的聚焦成像望远镜阵列和高能量分辨率、高时间分辨率探测器，并结合高灵敏度偏振探测能力，研究“一奇” （黑洞，测量上百个黑洞的自转参数）、“二星” （中子星和夸克星，研究极高密度下的物质状态方程）、“三极端” （极端引力、极端密度、极端磁场下的物理过程）， 实现对黑洞和中子星系统的大样本、高精度x射线能谱和时变观测，开拓高灵敏度x射线偏振探测新窗口，测量黑洞和中子星的基本物理参数，揭示极端条件下的基本物理规律。

真正有希望的还是中微子振荡。

那么， 中微子振荡需要从哪里入手修改粒子物理标准模型呢？ 是从添加中微子的质量入手。 在粒子物理标准模型中， 所有中微子都是无质量的。 在理论上可以证明， 如果所有中微子都是无质量的， 中微子振荡就不可能发生。 因此， 要想有中微子振荡， 就必须从添加中微子质量入手， 修改粒子物理标准模型。

接下来我们想知道的是： 在中微子振荡中， 中微子相互转变的概率满足什么样的规律？ 因为只有知道了这一点， 才能与观测相比较。 简单的理论分析表明， 中微子相互转变的概率与中微子的质量、 能量、 相互间的混合， 以及飞行距离等诸多因素都有关联。 这些关联不仅为拟合观测数据提供了许多可调节的参数， 而且也定性地解释了不同能量的中微子有不同的失踪比例这一现象。 就凭这两点， 它已经比我们前面提到过的那些方案更有希望。

可惜那只是表面现象。

后来当人们更细致地研究了中微子振荡之后， 却发现了一些问题。 比如计算表明， 要想用中微子振荡来解释观测结果， 需要假定中微子的某些参数与象日地距离那样与中微子风马牛不相及的参数之间满足一定的巧合关系。 这种有赖于巧合的解释是物理学家们素来不喜欢的， 因此是一个不好的兆头。 如果说这还只是口味问题， 那另外几个问题可就都是 “你死我活” 的级别了。 比如计算表明， 由中微子振荡所导致的中微子失踪率应该呈现明显的季节变化 (这是因为中微子相互转变的概率与飞行距离有关， 而在不同季节里， 日地距离是不同的)， 但观测却并未发现与理论预期相一致的变化。 此外， 中微子相互转变的概率与能量有关这一特点虽然定性地符合不同能量的中微子有不同失踪比例这一特点， 但在定量上， 观测所显示的失踪率与能量的相关性——尤其在高能区——却明显小于理论的预期。

)等发现周期160分钟震荡(或称为“太阳脉动”).后来又应用多谱勒效应观测到了许多震荡模式，它们的周期约3分钟～12分钟.这一太阳物理学领域称为“太阳震荡学”，有人也称之为“日震”.对太阳震荡的进一步观测研究可能得到太阳内部信息.。中微子振荡的现象是上世纪60年代美国科学家戴维斯首次发现的（戴维斯是95年诺奖获得者），他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子，发现数据只有理论预期的三分之一，这在当时被称为太阳中微子之谜，科学家们不知道这些中微子去了哪里，不过今年诺奖之一的sno实验在2000年左右确认，这些电子中微子也是振荡到了另外两种。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。

hyper-k 将探测来自 295 千米外日本散射中微子源(j-parc)的中微子束流。中微子振荡的现象是上世纪60年代美国科学家戴维斯首次发现的（戴维斯是95年诺奖获得者），他使用四氯化碳观测太阳核聚变中释放的电子中微子，发现数据只有理论预期的三分之一，这在当时被称为太阳中微子之谜，科学家们不知道这些中微子去了哪里，不过今年诺奖之一的sno实验在2000年左右确认，这些电子中微子也是振荡到了另外两种。然而，实验探测到的中微子数目仅有理论预言值的三分之一左右，这个偏差后来被称为“太阳中微子消失之谜”。

SNO 探测器

超级神岡探测器虽然证实了中微子振荡的存在， 但对于解决太阳中微子问题来说却还不够一锤定音， 因为它在证实中微子振荡时所观测的并不是太阳中微子， 而是能量远高于太阳中微子的由宇宙线产生的中微子。

2、开辟了中性原子成像的空间探测新方法，对来自磁层环电流的低能中性原子进行高分辨率的成像观测，获得多项有关磁层粒子加速的首次观测的结果，推动了新的空间探测计划。重水(或称氘化水,化学式d2o或者2h2o)是水的一种,它的质量比一般水要重.普通的水(h2o)是由两个只有质子的氢原子和一个氧16原子所组成,但在重水分子内的两个氢同位素,比一般氢原子有各多一个中子,因此造成重水分子的质量比一般水要重.在自然界中,重水的含量很少.由于普通水和重水都是由相同数量的氢和氧原子组成,两者的。这家伙能力可强大了，能巡视宇宙中的中性氢，探测星际分子，观测脉冲星，还能搜寻星际通讯信号。

2001 年， 萨德伯利中微子观测台发布了观测结果， 非常漂亮地显示出中微子的总流量在实验精度范围内与标准太阳模型相符， 而电子中微子所占的比例， 则与中微子振荡所预期的一致。

这样， 太阳中微子之谜就被解开了， 谜底就是中微子振荡。 在标准太阳模型与粒子物理标准模型的对决中， 居然是标准太阳模型取得了胜利， 这让很多人跌破了眼镜。 此后， 人们又通过大量的其它实验 (包括使用来自加速器及核反应堆的中微子) 进一步证实了中微子振荡。 经过如此曲折的努力， 我们终于完成了 第八节 末尾所说的为恒星核聚变理论收集进一步证据的工作， 使这一理论得到了牢不可破的确立。

迄今，年龄最大的诺贝尔获奖者是美国人雷蒙德·戴维斯，他由于在“探测宇宙中微子”等领域的开创性工作而获得2002年物理学奖，当年他88岁。鉴于这个结果，1961年，贝克西因“发现了耳蜗内部刺激的物理机制”而荣获诺贝尔医学和生理学奖。师：是啊，居里夫人玛丽·居里是第一个荣获诺贝尔科学奖的女性科学家，也是第一位两次荣获诺贝尔科学奖的伟大科学家。

2004 年， 戴维斯当年的合作者、 太阳模型专家巴克尔撰写了一篇评述太阳中微子问题的文章。 在文章的末尾， 他这样写道：

当我回顾过去四十年在太阳中微子研究领域所取得的成就时， 我感到了惊讶。 由数以千计的物理学家、 化学家、 天文学家和工程师组成的国际团队用他们的合作， 展示了通过统计地下矿井里一个盛满纯净液体的游泳池里的放射性原子的数目， 就能告诉我们有关太阳核心的重要事实， 以及被称为中微子的奇异基本粒子的性质。 若非亲身经历了太阳中微子的传奇， 这对我来说将会是难以置信的。

与更早的太阳中微子失踪之谜,稍晚的sno(太阳中微子)、kamland(反应堆中微子)、k2k(加速器中微子)等实验的结果一起,形成了中微子振荡的坚实证据。有一类很受物理学家喜欢的理论,叫“跷跷板机制”,它假定中微子是马约拉纳粒子,同时存在尚未被发现的、质量远大于电弱能标的重中微子,这样中微子的微小质量可以得到很自然的解释。由标准太阳模型所预言的太阳核反应释放的电中微子在从太阳到地球的运行过程中，由于中微子振荡会转变成其他类型的中微子，使得在地球上所测到的该能量的中微子流强减小。