【成电讲坛】诺奖得主梶田隆章解析中微子震荡和小中微子质量


2018年12月28日

什么是中微子震荡?中微子质量的发现对宇宙的探索又有着怎样的意义?10月29日,2015年诺贝尔物理学奖得主、现任东京大学宇宙射线研究所所长梶田隆章教授做客成电讲坛,为同学们带来对中微子的奥秘的精彩解析。

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现代物理学家不断地在更小的尺度探求基本微粒。在现当代物理学中的三种最小的粒子——普朗克粒子、中微子、前子,只有中微子被真正证明存在。从意大利物理学家费米把中微子从广义的“中子”概念中提出,到美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子,人类对中微子的研究一直在稳步向前。

但若想要把中微子的性质真正地与其他粒子间建立联系,有一个极为重要的性质是万万不可忽视的,那就是中微子的质量。许多现在的新兴研究,如近年来物理学前沿对“上帝粒子”希格斯玻色子的研究,如果没有了中微子这一重要微粒的质量数据,其研究工作的开展将会举步维艰。

那么,中微子到底是什么?梶田隆章教授说,“你可以想象一个极小的不带电微粒,在宇宙之间不断地穿梭,甚至在你的身体中不断地以近光速穿过。你可以随手一抓,说自己抓到了中微子,并以之炫耀你手部肌肉的反应速度已经超越光速了。”

这就是中微子,一种不带电、质量极小、与其他物质的相互作用十分微弱但广泛存在于自然界中的基本粒子。梶田隆章说,太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。然而,数量巨大的中微子还有不同的种类,而中微子振荡便是联系这几种中微子的钥匙。完善中微子振荡模型的过程,充满了艰辛。

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梶田隆章介绍说,1983年当自己获得东京大学博士学位后,阴差阳错选择了东京大学荣誉教授小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)的研究室,在跟随户冢洋二实验团队参与神冈探测器的过程中,逐渐对高能物理有了兴趣,并开始投身于高能物理的研究事业当中。

1988年,他们发现“μ中微子”与“电子中微子”的数量比率为理论预言数据的60%,为什么预言数据和实验数据差别这么大?他们在不断改进自己的实验程序的同时,疑惑也在不断加深。最终,他们选择确信自己的数据和程序无误,并以此为突破口,建立了一系列的理论来解释这一数据。

终于,1996年,神冈探测器被改良提升为“超级神冈探测器”后,通过总结获得的更精确的实验数据,他们得出结论:数量比率的短缺是因为中微子振荡,即宇宙射线在地球大气层因散射所产生的“μ中微子”,会在经过地球内部的途中变型为“T中微子”。1998年,梶田隆章在“中微子物理学・宇宙物理学国际会议”首次发表这一结果,引起学界轰动。

然而,此后一段时间,这项成果并没有受到??大的关注,世界范围内的很多科学家都认为这是梶田隆章实验室程序的漏洞导致的结果。当时,大多数与中微子相关的论文中,中微子的质量都会被假定为零,因而,梶田隆章的成果也被同行们一度认为是极其荒诞不经的。因此,研究时所受的压力也难以言表。但谁也不会预料到,这样古怪的一个结论将会影响整个理论物理学的发展。

梶田隆章对中国在中微子领域的研究表示充分认可,在他看来,真正最先进的中微子研究装置就是中国科学院高能物理研究所大亚湾反应堆中微子实验站。

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精彩的解析分享后,梶田隆章教授耐心回答了同学们提出的问题。在被问到“是否会考虑将这一理论写成更通俗易懂的书籍”时,他表示,这个想法极具现实意义,不久之后,可能会着手这部书的编写。

本次活动由大学生文化素质教育中心主办,基础与前沿研究院、物理学院、数学科学学院共同承办。


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梶田隆章,日本物理学家、天文学家,现任东京大学宇宙射线研究所所长、同研究所附属宇宙中微子观测信息融合中心负责人、东京大学特别荣誉教授、东大卓越教授,荣获文化勋章,并被表彰为文化功劳者。梶田教授受业于知名物理学家小柴昌俊、户冢洋二,他与户冢领导的实验于1998年证实中微子震荡,2002年三人同获潘诺夫斯基实验粒子物理学奖。2015年梶田因“发现了中微子震荡,证明了中微子具有质量”与阿瑟·麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖。


编辑:助理编辑  / 审核:罗莎  / 发布者:陈伟