超级神冈探测器



10月6日下午，诺贝尔物理学奖揭晓。日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳获奖，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。

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”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，并非“直奔主题”，而纯属“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吨升级到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，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，已经颁发了18个诺贝尔奖，有一部分颁给新粒子的发现者，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3种中微子，分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子，这3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。“日本超级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”。

“不同质量的中微子，在飞行的过程中，振动的频率不同，不同频率的中微子会相互发生干涉，形成其他的中微子。”曹俊说。

发现了中微子的振荡和质量，表明粒子物理的标准模型仍有待扩展，而这也将为未来粒子物理的发展指出更多的方向。“我们现在认为标准模型是一定要突破的，也是一定能够突破的。”曹俊说。

张双南表示，中微子振荡，乃至中微子质量研究，还将有助于理解宇宙中物质和反物质为什么是不对称的。“标准模型预言正物质和反物质是对称的，但是宇宙中主要是正物质，反物质非常少，大家认为中微子质量很可能与此有关，这也是大家关心中微子振荡的重要原因。”他说。

粒子物理往哪走？

尽管此次诺贝尔物理学奖得主中并未出现中国人的身影，但中国在粒子物理领域仍然有着举足轻重的地位。

“今天颁发的两个奖项分别是大气中微子振荡和太阳中微子振荡，其他的还有反应堆中微子振荡和加速器中微子振荡，从来源上说基本就是这4种研究手段。”曹俊指出，“中国在反应堆中微子振荡领域是世界上做得最好的。”

曹俊所说的“最好”，指的是大亚湾中微子实验。该实验由中科院高能物理研究所的科研人员于2003年提出，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，寻找中微子的第三种振荡。

“相比于日本和加拿大，大亚湾中微子实验的规模要小一些，原因是我们探索的是反应堆中微子。”张双南指出，由于核电站的中微子通量非常高，所以规模要小得多，“我们跟其他国家的实验探测不是同一个东西，发现的现象也不一样”。

2012年3月，大亚湾中微子实验组织发言人宣布，大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。

有趣的是，关于大亚湾中微子实验的发现，中日间也曾出现过竞争。此前，日本发现了中微子的第三种振荡模式的一些端倪，但却无法做到精确测量。“我们抢先证实了它的存在。”曹俊说。

当下，中国还在推动中微子质量的研究。今年1月，继大亚湾反应堆中微子实验之后，由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验在广东省江门市建设启动。其首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序。实验站将建在地下700米深处，计划2020年投入运行并开始物理取数，运行至少20年。

然而，对于多年来在诺奖中备受宠爱的粒子物理，曹俊却显得很谨慎。“除非有特别重大的新发现，否则粒子物理未来可能不会再继续受宠。”