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中微子振荡问鼎诺贝尔奖粒子物理新篇开启新日

发布时间:2020-01-15 17:22:51 阅读: 来源:铁钉厂家

10月6日下午,诺贝尔物理学奖揭晓。日本科学家梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大科学家阿瑟?麦克唐纳(Arthur B。 McDonald)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。”中科院高能物理所研究员曹俊告诉《中国科学报》记者。

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。

发现中微子振荡是“意外之喜”

今年,日本获奖者的发现来自一个名叫“超级神冈探测器”(Super Kamiokande)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”。

2002年,美国物理学家雷蒙特?戴维斯和日本物理学家小柴昌俊因探测宇宙中微子,获诺贝尔奖。这一成绩,鼓励了日本政府加大了中微子研究领域的投入力度。于是,他们将“实验容器”从3000吨升级5万吨,做成了超级神冈探测器。

“超级神冈实验当初设计出来并不是为了寻找中微子实验的,而是要找质子衰变。在探测质子衰变的过程中,需要去除中微子的影响,最后,超级神冈探测器虽然没有找到质子衰变,却意外地发现了中微子振荡。”曹俊说,“一般能够得上诺奖级别的,都是有一些意外的发现。”

物理学奖在颁什么?

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。

“目前围绕着粒子物理标准模型,已经发了18个诺贝尔奖,有一部分颁给新粒子的发现者的,有一部分颁给相互作用机制的发现者。但是,长期以来,中微子是标准模型里认识得最不清楚的一种粒子。”曹俊说。

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。”中科院高能物理所所长王贻芳告诉记者。

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。

“每秒钟,穿过我们身体的太阳中微子就有几百万个,而且,由于不带电,它几乎不跟物质发生相互作用。”曹俊说。

当初,科学家之所以能探测到中微子的振荡,或许要部分归功于大型探测器。“日本神冈实验其实就是个巨大的‘水罐子’。”中科院高能物理研究所研究员张双南向《中国科学报》记者解释说,里面装着5万吨液体作为探测介质,“‘水’越多,粒子相互作用的机会就越大,捕捉到相互作用的可能性也就越大。

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