http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-10-06
2015诺贝尔物理奖得主都是干啥的？
中新网10月6日电 据诺贝尔奖官网的最新消息，瑞典斯德哥尔摩当地时间6日中午11时45分，2015年诺贝尔物理奖在当地的瑞典皇家科学学院揭晓， 梶田隆章（Takaaki Kajita）和 阿瑟-麦克唐纳（Arthur B。 McDonald）荣获该奖项， 以表彰他们对中微子振荡的发现，从而证实了中微子有质量。
瑞典皇家科学院以其专设的诺贝尔奖评选委员会而闻名世界。自1901年起，瑞典皇家科学院就开始负责每年的诺贝尔物理学奖和化学奖评选与颁发，而诺贝尔生理学或医学奖则由瑞典卡罗琳医学院负责评选。
梶田隆章简介
梶田隆章（日语：梶田隆章/かじたたかあきKajitaTakaaki，1959年-），是日本物理学家、天文学家，现任东京大学宇宙线研究所所长、同研究所附属宇宙中微子观测信息融合中心负责人。
梶田隆章受业于小柴昌俊、户塚洋二，2002年三人共同获得潘诺夫斯基实验粒子物理学奖。2015年获得诺贝尔物理学奖。
埼玉县出身，埼玉大学理学部物理学科毕业。理学博士（东京大学）。
1986年，梶田隆章担任东京大学理学部助手，并开始中微子研究，在世界一流物理学家小柴昌俊、户塚洋二门下学习，其后于观测中微子时发现异样，依此推测中微子
震荡的存在。为证实此一推论，需要庞大的观测数据，超级神冈探测器因此应运而生。1996年，超级神冈探测器成功观测大气中的中微子，并测定其质量。1998年，在“中微子物理学？宇宙物理学国际会议”首次发表。1999年，梶田因此获得日本物理学最高奖“仁科芳雄奖”。
梶田历任东京大学宇宙线研究所助手（1988年）、副教授（1992年）、教授（1999年），现任东京大学宇宙线研究所所长（2008年至今）。
2014年，美国《今日物理》杂志（PhysicsToday）预测，因户塚洋二已故，梶田隆章可望与阿瑟·麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖。
小柴昌俊曾经说“在继承我衣钵的弟子当中，有2人足以获得诺贝尔奖”。一般认为他指的是户塚洋二与梶田隆章。
阿瑟·麦克唐纳简介
阿瑟·麦克唐纳（ArthurB.McDonald，1943年8月29日-），加拿大物理学家、萨德伯里中微子天文台研究所主任。他还是女王大学戈登和帕特里夏灰色粒子天体物理主席。2015年获得诺贝尔物理学奖。
生平
出生在新斯科舍省悉尼，1964年在达尔豪西大学获物理学士、1965年获硕士学位，并于加州理工学院获物理学博士学位。1970至1982年任渥太华西北的乔克·里弗核实验室研究员。1982年至1989年在普林斯顿大学任物理学教授，后加入女王大学。目前是女王大学大学研究主席。
工作
2001年8月，在麦克唐纳的领导下，依据安大略省萨德伯里中微子天文台地下2100米的检测设施的观测结果，可推论出来自太阳的电中微子振荡成为μ介子和tau中微子。麦克唐纳和戸塚洋二被授予2007年富兰克林奖章。
2008年，美国《今日物理》杂志（PhysicsToday）预测，麦克唐纳可望与铃木 厚人分享诺贝尔物理学奖。
[中新网]
日加科学家获物理学诺奖 成果挑战杨振宁理论
据新华社电 瑞典皇家科学院6日宣布，将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。两名获奖者证明了中微子无论多小都具有质量，这一发现改变了人们对物质内部运作的认识，有助提升人类对宇宙的认知。
瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松当地时间11时45分（北京时间17时45分）在皇家科学院会议厅公布获奖者名单及其主要成就。
据该奖评审委员会介绍，梶田隆章在15年前介绍了某种中微子从宇宙到达位于日本本州岛中部的神冈中微子探测器途中，其特征会出现两种转变。而麦克唐纳同时证明了不同种类的太阳中微子在抵达地球途中会相互转变种类。中微子在很长一段时间都被认为没有质量，这两位科学家的发现证明了中微子振荡现象，揭示出中微子无论多小都具有质量，这是粒子物理学的历史性发现。
瑞典皇家科学院在新闻公报中说：“这两名获奖者的研究对证明中微子改变特征作出了关键性贡献，引发这种物理变化需要中微子具有质量，他们的发现改变了人类对物质内部运作的理解，并能提升对宇宙的认知。”
上述两名获奖者将平分800万瑞典克朗（约合92万美元）的诺贝尔物理学奖奖金。
>>感言
麦克唐纳：这是团队努力的结果
麦克唐纳当天在与瑞典皇家科学院的现场电话连线中表示，自己在清晨4点获知得奖消息很激动，这一成就是整个研究团队长期努力的结果。
谈及自己的研究方向，麦克唐纳说，中微子研究将有助解释宇宙的演变进程。
“中微子是我们不知如何进一步细分的基本粒子之一，”他说，“探索它们有助我们了解宇宙的演变进程，而证明它们具有质量会帮助我们揭开那些（宇宙）奥秘。”
梶田隆章：令人难以置信的惊喜
得知自己获奖后的梶田隆章同样激动不已，直言这是“令人难以置信的惊喜”。值得一提的是，梶田隆章是2002年诺贝尔物理学奖得主、东京大学特别荣誉教授小柴昌俊的学生。来自同一研究团队的科学家两次获诺贝尔物理学奖，这在日本还是第一次。
>>焦点
美华裔诺奖得主理论受挑战
按照本次评审委员会的说法，梶田隆章和麦克唐纳的发现对美籍华裔物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁所开创的标准模型理论而言是一个挑战。
标准模型理论是一套描述基本粒子的物理理论，隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容，是自牛顿经典物理学之后最接近“大一统”的一套自然哲学观。
“（梶田隆章和麦克唐纳的）实验揭示出经典模型理论第一个明显的裂缝，”评审委员会说，“显而易见的是，标准模型理论不可能成为描述宇宙基本构成物如何运作的一套完全理论。”
目前，来自世界各地的科学家正不断探索中微子的奥秘。“发现它们最深处的秘密有望改变我们现阶段对宇宙历史、结构及其未来命运的认知。”评审委员会说。
[腾讯网]
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解读2015诺贝尔物理学奖：中微子会变“味”
科学家发现了三种中微子类型，即电中微子、μ中微子和τ中微子，后两者更重，但寿命也更短暂
腾讯太空讯 据国外媒体报道，2015年诺贝尔物理学奖公布，来自日本东京大学宇宙射线研究所所长梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理学家阿瑟-麦克唐纳（Arthur B. McDonald）共同分享了今年的物理学奖。梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳都在中微子研究方向上取得了突破性的进展，揭开了中微子振荡之谜，在粒子物理学界打开了一个新的方向。值得注意的是，梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳并不是同一个中微子研究小组，阿瑟-麦克唐纳位于萨德伯里中微子观测站，而梶田隆章来自日本的超级神冈中微子探测器。
目前中微子探测器都建造在地下深处和海面之下，这样的环境有利于科学家捕捉到穿过地球的中微子，1998年，科学家梶田隆章发现中微子在抵达探测器之前似乎发生了状态改变，暗示中微子可能与宇宙射线之间存在某种反应，这一过程发生于地球大气层中。同时在地球的另一端，加拿大的萨德伯里中微子天文台在2001年也对来自太阳的中微子进行研究，该研究小组以阿瑟-麦克唐纳为首席科学家，通过实验也证明中微子确实在抵达探测器前发生了状态改变。
阿瑟-麦克唐纳和梶田隆章的实验发现的中微子状态改变属于一种新的现象，即中微子振荡。中微子振荡的猜想已经有理论支持，科学家认为中微子可以在某些味之间进行转化，在中微子旅行过程中，其味可能受到外界的影响而变化。中微子振荡的发现具有深远的意义，因为很长一段时间内，我们认为中微子是无质量的，但实验却证明中微子具有质量，这个发现对粒子物理学影响深远，甚至在我们对宇宙的理解上都有突破性的意义。
事实上我们生活在中微子的世界中，每一秒都有无数中微子穿过我们的身体，我们无法看到和感觉到中微子的存在。中微子之所以有这样的特性，是因为他们几乎不予其他物质发生相互作用。那么中微子从何而来，它的存在对宇宙演化而言有何意义？这是科学家所要追寻的答案。有人认为中微子在宇宙大爆炸之后就已经出现，也有人认为中微子来自各种天体事件，从超新星爆发、大质量恒星死亡到核电反应、天然放射性衰变等都可成为中微子的来源。
即便是我们的身体内每秒钟平均有5000个来自钾同位素衰变释放的中微子，但是达到地球的中微子中，多数是来自太阳这样的恒星核聚变反应产生的中微子，同理，在宇宙中中微子的恒星源产生的中微子最多，仅次于宇宙中的光子。在很长一段时间内，中微子的存在一直没有得到确认，甚至一度认为中微子并不存在，奥地利物理学家沃尔夫冈-泡利很早就提出了中微子存在的理论，从β衰变能量守恒的角度看，可能存在一种神秘的粒子。1930年12月，泡利给其他物理学家写的信中指出，β衰变过程中可能存在一种电中性粒子，其质量非常非常低，通过弱相互作用而存在。
虽然泡利发觉中微子的存在，但连他自己都很难相信宇宙中还可以存在这样的粒子，因此泡利推测自己可能做了一件可怕的事情，假定了一个无法探测到的粒子。不久后，一位意大利物理学家费米证明了泡利的电中性粒子，这就是所谓的中微子。当时还没有人能够预测中微子将彻底改变我们的粒子物理学和宇宙学。到了1950年代，中微子的研究开始进入新的阶段，鉴于大批核电站处于建设之中，中微子也开始活跃起来，毕竟中微子也来自核反应过程。1956年6月，两位美国物理学家在探测器中发现中微子留下的痕迹。
研究进一步发现如同幽灵般的中微子确实存在，它需要一个真正的粒子身份。1960年代，物理学家们计算发现，来自太阳的中微子出现了失踪，大约三分之二的中微子不见了，那么这些中微子哪儿去了？刚开始时科学家认为这可能是计算错误，但是有研究指出，中微子可能在传播途中出现状态变化。根据粒子物理学的标准模型，科学家发现了三种中微子类型，即电中微子、μ中微子和τ中微子，后两者更重，但寿命也更短暂。太阳的中微子形成过程主要形成电中微子，如果电中微子在传播过程中受到影响，转化为μ中微子和τ中微子，那么就可以解释为什么来自太阳的中微子会出现失踪。
鉴于关于中微子的状态改变仅仅是猜测，科学家开始建造更大规模的中微子探测器，更大、更先进的中微子探测器投入使用后就可以捕捉到更多的中微子。为了让探测器与宇宙背景噪声隔离，中微子探测器自然要建造在地下，这样才能避开干扰。但是无论如何进行屏蔽，地球总在宇宙环境中，因此中微子也必定会受到其他来自银河背景因素的干扰，如何从数十亿干扰项中筛选出中微子信号，就成了科学家研究的重点。
1996年，日本东京西北250公里处建造了大型中微子探测器，这就是超级神冈探测器。1999年，建造在加拿大安大略省镍矿遗址的中微子探测器也开始运行，这就是萨德伯里中微子观测站。超级神冈探测器位于地下1000米出，非常深，周围有一个巨大的水箱，灌满了5万吨的水。当然这些水并不是普通的水，而是纯度极高的水，当一束光射入70米后强度才出现减半衰减，如果是普通的游泳池，仅有数米的穿透量。在水池的顶部、四周和底部，科学家安装了1.1万个探测器，用来探测器中微子微弱的闪光。
一般情况下，大部分中微子会穿过水池，一旦中微子与水分子中的原子核和电子发生碰撞，就会发生相互作用。比如电中微子可形成电子，μ中微子可形成μ子，同时还会出现一种幽蓝色的闪光，这就是切伦科夫辐射。有趣的是，切伦科夫辐射形成的基础是一个粒子移动的速度比光速还快，就会形成切伦科夫辐射，根据爱因斯坦的相对论，超光速显然是不被允许的。需要指出的是，在纯水中光速仅为75%，因此其他粒子的速度可超过光速，由此形成了切伦科夫辐射。
在最初的两年运作期间，超级神冈探测器发现了大约5000个中微子信号，已经超过了科学家的预期值，但是与理论值相比仍然有很大的缺口。因为科学家估计中微子具有各向均一型，宇宙中穿过地球的中微子在各个方向上是大致相同的，但是μ中微子的值却出现了异常。在超级神冈探测器顶部探测到的μ中微子和底部有所不同，顶部探测到的μ中微子来自大气层，而底部出现的信号来自穿过地球后抵达日本的中微子，结果发现顶部探测器的信号比底部更多，这说明中微子的穿过地球时发生了某种改变。
研究结果发现，μ中微子在不同传播距离上存在不同的改变，比如顶部探测器发现的中微子行程较短，底部探测器接收到的中微子穿过了整个地球，因此后者由足够的时间进行改变。科学家发现μ中微子可转变为τ中微子，而τ中微子还不在超级神冈探测器的捕获范围之内。
对于加拿大萨德伯里中微子天文台而言，其建造在地下2公里，安装了9500个探测器，周围也有1000吨的重水。使用重水的原因在于氘核比氢核多了中子，增加了中微子碰撞的概率。实验结果发现，电中微子在抵达探测器前已经发生了状态改变。梶田隆章和阿瑟-麦克唐纳的实验证明，中微子在抵达探测器前确实出现了味的变化，同时也证明了中微子具有质量。（罗辑/编译）
[腾讯网]
一个段子告诉你啥是中微子震荡
【什么是中微子震荡？一个段子的解释】今年的#诺贝尔奖#物理学奖颁给了中微子震荡相关研究。这是啥？假设中微子这种基本粒子是一群普通青年，他们十一去远游，到了地方发现人只剩约1/3，人都消失啦，这就是中微子丢失之谜。后来人们发现普通青年没丢，但变成了文艺青年和2B青年，这叫中微子振荡。
专业人士读这个：中微子，开启通向新物理学的大门
（文/Robert Adler 来源：果壳网）
“王冠下的脑袋总是难以安稳，”莎士比亚的这句话，同样可以送给今天粒子物理学的标准模型。这是迄今为止对物质基元及其相互作用最为成功的描述。最近找到的非常类似希格斯玻色子的粒子，让这个理论更加冠冕堂皇，因为这不仅证实了一个近40年之前的预言，而且填补了这个理论最后的空白。不过我们并未就此满足，反倒更为迫切地希望将标准模型拉下马来，去寻找那些最终必然超越它的崭新物理篇章。“标准模型就是粒子物理学，”诺贝尔奖得主杰克·施泰因贝格（Jack Steinberger）说，“但很多问题目前仍无望回答。”
这些问题包括暗物质的本质，即这种据信占据宇宙80%质量的神秘不可见物质究竟什么？然后还有暗能量，它被认为是宇宙加速膨胀的推手，而粒子物理学家将它的强度高估了10120倍，可谓错得前无古人后无来者。标准模型还无法回答物质如何逃脱大爆炸，如何将引力纳入其中。不仅如此，它还备受所谓“自由参数”（free parameter）的困扰，这些数值不能由标准模型自身得到，必须人为放进模型中，而且数值也是任意确定的，比如对模型内相互作用强度的设定就是如此。
消解这些难题需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩，也许通向标准模型之外的物理新世界的钥匙并不在它身上，而藏身于另一种粒子：中微子。
2011年9月，中微子曾一度街知巷闻，当时深埋于意大利大萨索山山体下的OPERA实验项目宣称，测量出中微子的传播速度超过光速，直接违背了爱因斯坦的狭义相对论。6个月之后，这个结果被证实源自实验本身的一处差错。即便闹了乌龙，这些让人着迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我们去发现。
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。有关中微子的这些谜团都超出了标准模型的能力之外。我们目前知道3种中微子，它们看上去井井有条，分别和电子及电子的两个更重的表亲——μ子和τ子组成一对，构成完整的轻子家族。但一开始，标准模型就错误地假设，中微子的质量为0，而且直到今天都无法在模型框架内确定中微子的质量。因此，标准模型也没能预见到中微子能在3种形态之间来回变化，更别说存在更多种中微子的可能性了。
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。
尽管超然于世外，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（Wolfgang Pauli）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，用美国弗吉尼亚理工大学理论物理学家帕特里克·胡贝尔（Patrick Huber）的话来说，“中微子能让你进入另一个世界，原因很简单，它跟我们这个可见的世界几乎没有多大的相互作用”。
粒子物理的标准模型，虽然包含了三味中微子，但无法解释它们的质量及许多其他异常现象。图片来源：《新科学家》
味道变换
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，就像我们喜爱特定口味的冰淇淋一样。因此，它们也被相应地分成3种味（flavour）：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。
这就给我们出了个难题。“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，”美国亚利桑那州立大学的理论物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）说。与之相对，某些大统一理论，即那些希望更进一步统一除引力之外所有自然力的尝试，确实预言了有质量的中微子。因此，准确确定中微子的质量，能帮助理论物理学家判断，哪种理论值得追随。“人们对这些大统一理论已经猜了几十年，它们对粒子质量各有各的解释，”美国麻省理工学院的乔·福尔马焦（Joe Formaggio）评论道，“但如果你弄出个理论来解释质量，总得有个实际质量作为参照吧。”
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（Enrico Fermi）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（eV），仅有质量排名倒数第二的电子质量的不足百万分之一。美国费米实验室的宇宙学家斯科特·都德尔逊（Scott Dodelson）感叹道，“对我而言，通过观察所有的星系和星系团，竟然能探测出如此微小粒子的质量，实在是激动人心。”英国牛津大学的弗兰克·克洛斯（Frank Close）则认为，我们应当用心对待这些蛛丝马迹，“我们还没明白这一切有多妙不可言”。2013年出炉的、对普朗克空间天文台宇宙微波背景辐射观测结果的分析，进一步修正了我们对3味中微子质量之和的限制。
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的基本相互作用，”费米实验室的理论物理学家鲍里斯·凯瑟（Boris Kayser）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。图片来源：qiwencun.com
物质为王
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（Carlo Rubbia）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（Janet Conrad）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（Alexandre Sousa）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（leptogenesis），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（see-saw mechanism）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（André de Gouvêa）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（Majorana particles）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（neutrinoless double beta decay）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（Alan Poon）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。”
追梦逐幻
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（Art McDonald）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（Enriched Xenon Observatory），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（参见《物理评论通讯》，第109卷，032505页）。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（Sheldon Glashow）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（Francis Halzen）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。”
编译自：《新科学家》，Neutrinos – the next big small thing
[凤凰网-果壳网]