2015年诺贝尔物理学奖颁奖词

2015年诺贝尔物理学奖颁奖词如下

今年的诺贝尔物理学奖与中微子有关,它或许是宇宙中最令人困惑的粒子。中微子就像幽灵一样,能穿过最厚的墙壁 —— 实际上,它们能直接穿透整个地球。它们不带电荷,以接近光速的速度运动,而且几乎没有质量 —— 很长一段时间里,我们实际上认为它们是没有质量的!研究中微子是一项真正的挑战!

2015年诺贝尔物理学奖颁奖词

2015年诺贝尔物理学奖颁奖词

今年的获奖者梶田隆章和阿瑟?麦克唐纳带领两个大型研究小组,发现这些非凡的粒子比我们想象的还要令人困惑。它们就像变色龙:在穿越空间的过程中,不断在不同的身份之间转换。

中微子的普遍存在与特性

中微子无处不在。它们在太阳内部、宇宙射线与大气碰撞时、地壳中原子核衰变时,甚至在我们的肌肉中不断产生。每秒都有数十亿中微子穿过我们的身体,无声无息,不被察觉。

这些难以捉摸的粒子很少相互作用,几乎不可能被捕获。然而,它们像幽灵一样的特性似乎很有用:太阳中心产生的光永远无法到达地球,但太阳核心核聚变过程产生的中微子辐射却能直接穿出。因此,测量来自太阳的中微子数量提供了一种测量太阳核心温度的方法。

太阳中微子失踪之谜

第一个旨在记录太阳中微子辐射的实验是在50年前发起的,之后还有许多类似实验。很快,令所有人惊讶的是,预期中微子数量的多达三分之二似乎失踪了。中微子似乎在途中消失了!

在众多试图解释这一非凡现象的理论中,有一种理论认为,在旅途中,中微子可以改变其身份,转化为探测器无法探测到的另一种中微子。这是因为存在三种类型的中微子,而太阳只产生其中一种 —— 而实验设计只能探测到这一种类型。

中微子身份转变的谜团破解

粒子真的能改变身份吗?这个谜团在两个巨大的地下探测器的帮助下得以解开。

超级神冈探测器位于日本本州岛中部的一个锌矿中,在地下1000米处,装有5万吨水 —— 足够装满斯德哥尔摩所有的浴缸!该探测器记录了宇宙辐射与地球大气层碰撞时产生的中微子。令科学家们大为惊讶的是,他们发现从下方,即从地球另一侧到达探测器的中微子比从上方大气层到达的要少得多。大气中产生的中微子类型似乎也在途中消失了!

中微子可以不受阻碍地穿过地球。因此,梶田隆章和他的团队意识到,地球另一侧的产生点与探测器之间的巨大距离为中微子提供了额外的时间来改变身份。这一发现是在世纪之交前后公布的。

大约在同一时间,在地球的另一侧,为了观测太阳核心产生的中微子,一个巨大的探测器被建造出来。与早期的探测器不同,位于加拿大地下两公里处的萨德伯里中微子观测站能够有效地记录所有三种类型的中微子。阿瑟?麦克唐纳和他的研究团队随后能够证明,从太阳到达地球的中微子总数与预期非常接近,但太阳核心产生的中微子类型太少。不过,它们似乎并没有消失;相反,它们一定是转化为了另一种中微子并改变了身份。

中微子振荡的发现与意义

这两个实验的结果有一个共同的解释:量子理论将在空间中传播的粒子描述为波。如果三种中微子具有不同的质量,它们就会被描述为具有不同频率的波。这些波在空间中传播时的相互作用是中微子转变的基础。这种现象被称为中微子振荡,而且只有当中微子具有质量时才会发生。

宇宙中的中微子数量巨大。因此,发现它们并非像我们长期以来认为的那样没有质量,对于我们理解宇宙的结构至关重要 —— 对宇宙学也有着深远的影响。

麦克唐纳教授、梶田隆章教授:

你们因发现中微子振荡而获得诺贝尔物理学奖,这一发现表明中微子具有质量。我谨代表瑞典皇家科学院,荣幸地向你们表示最热烈的祝贺。现在,请你们上前从国王陛下手中领取你们的诺贝尔奖。