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2015年的诺贝尔物理学奖授予了在超级神冈（简记为SK）实验中发现了大气中微子振荡现象的日本物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和在萨德伯里中微子观测站（简记为SNO）破解了太阳中微子失踪之谜的加拿大物理学家亚瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）。这一结果既在情理之中，又在意料之外。一方面，这两个实验开启了中微子物理学的黄金时代，以令人信服的方式表明中微子具有极小的质量和较大的混合效应，相应的主要贡献者理应获奖；另一方面，几位相关的候选人在多年的被提名、落选、等待的反复循环之后终于心态归于平静，而且中微子界内的期盼声也逐渐式微，此时梶田和麦克唐纳教授却收获了名至实归的惊喜。

图1. 2015年诺贝尔物理学奖获得者

中微子的概念最早是由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年底引进的，为的是解释原子核β衰变过程中的电子能谱问题。这种假想的粒子呈电中性、质量极其微小、自旋量子数等于1/2，而且与普通物质的相互作用非常微弱。1956年，美国科学家克莱德·科万（Clyde Cowan）和弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）首次探测到了来自反应堆中原子核裂变所产生的电子型反中微子，从而证实了泡利的理论预言。莱因斯也因此获得了1995年度的诺贝尔物理学奖，而当时科万已经去世21年之久了。1962年，另一种被称作μ子中微子的基本粒子被美国物理学家利昂·莱德曼（Leon Lederman)、梅尔文·施瓦茨（Melvin Schwartz）和杰克·斯坦伯格（Jack Steinberger）在加速器实验中发现了，他们三人因此分享了1988年度的诺贝尔物理学奖。μ子中微子和2000年在费米实验室被发现的τ子中微子都是电子型中微子的姐妹，它们共同组成了中微子家族并具有相应的反粒子伙伴。在粒子物理学的发展历程中，中微子始终扮演着至关重要的角色。虽然标准模型要求中微子的质量严格为零而且不同类型的中微子之间相互不能转化，但是SK和SNO实验的结果却出人意料地打破了这一限制，为物理学家们提供了超越标准模型的新途径。

SK实验的主要研究对象是来自地球周围大气层的μ子中微子。宇宙线与大气层相互作用会产生大量的带电π介子，后者的衰变进一步产生电子型中微子、μ子中微子及其反粒子。SK探测器是一个含有5万吨纯净水的超大容器，其中布满了光电倍增管（右页图），被安置在日本神冈的一个地下矿井中。大气中微子进入探测器后，会与水中的电子发生弹性散射反应，使得反应后电子的速度超过了光在水中的速度，进而产生契仑柯夫辐射光，被光电倍增管记录下来。这样科学家就能够确认来自上方大气层、直接进入探测器的中微子数目，以及来自下方大气层、先经过地球再进入探测器的中微子数目。由于地球的几何对称性，理论上预期来自上方和下方的中微子数目应该大致相等。但是SK合作组却在1998年6月报告了出人意料的实验结果：来自大气层的电子型中微子及其反粒子具有简单的上、下对称性；但是从下方进入探测器的μ子中微子及其反粒子的数目却明显少于来自上方的相应粒子的数目。后者就是所谓的大气中微子“反常”现象，它表明μ子中微子及其反粒子在经过地球达到探测器的途中发生了变化，其中一部分转化成探测器看不见的τ子中微子及其反粒子—这种转化就是中微子振荡现象。中微子之所以能够发生振荡，原因在于它们具有微小的质量和显著的混合效应，而这些性质都超越了粒子物理学标准模型的预期。因此SK的实验结果震惊了整个学术界，开启了中微子物理学的新时代。

图2. SK探测器

SK实验组的两位核心人物是户塚洋二（Yoji Totsuka）和梶田隆章，他们都是诺贝尔奖得主小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）的学生，但户塚比梶田大了整整17岁。自1998年以后，两人获奖的呼声都很高。可惜的是，户塚教授不幸于2008年7月因患肠癌去世，年仅66岁。如今梶田担任东京大学宇宙线研究所的所长，他在得知自己获奖之后对媒体调侃道：“我理所当然要感谢中微子。由于大气中微子产生于宇宙线，我也要感谢宇宙线！”

麦克唐纳教授1943年出生于加拿大的悉尼，在美国加州理工学院获得博士学位后一直从事核物理学的实验研究，目前担任SNO实验室的主任。2001年，他领导的SNO合作组利用从军方租借的重水作为主要探测媒介，成功地测量了太阳中微子与氘核发生的带电流和中性流反应，以及与重水中的电子发生的弹性散射反应，从而确定了相应的中微子通量。众所周知，太阳中微子来自太阳中心的核聚变过程，因此它们在产生之初是纯粹的电子型中微子。假如这些粒子在从太阳中心到达太阳表面以及地球探测器的途中没有发生任何异常，那么SNO实验通过三种不同的反应过程所测量的太阳中微子通量就应该是彼此相等的。但实验结果表明，参与中性流相互作用的中微子的通量明显大于参与弹性散射过程的中微子的通量，而后者又大于参与带电流相互作用的中微子的通量。由于带电流相互作用只对电子型中微子敏感，而另外两种相互作用对电子型中微子、μ子中微子和τ子中微子都敏感，所以较大的中性流和弹性散射测量值表明，原初的电子型中微子一定有一部分转化成为μ子中微子和τ子中微子了。这一结论不依赖太阳模型本身的不确定性，所以非常令人信服。SNO解开了长期以来的“太阳中微子失踪之谜”——即美国科学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）于1968年率先观测到的太阳中微子事例明显少于理论预期的问题。正是由于SNO实验在2001年的成功，戴维斯和1987年发现超新星中微子的小柴昌俊才获得了2002年度的诺贝尔物理学奖，他们二人的工作开启了中微子天文学这一崭新的研究领域。

解释SNO测量结果的最简单理论图像也是中微子振荡。由于中微子具有微小的质量和较大的混合效应，从太阳中心通过核聚变产生的电子型中微子在向外传播的过程中以一定比例转化成了μ子中微子和τ子中微子，而后者由于无法在地球探测器中触发带电流相互作用，所以不为戴维斯领导的实验和SK等其他实验所确认，这就造成了“太阳中微子失踪”的假象。SNO实验的独特之处就在于它能够同时测量太阳中微子与重水的三种不同相互作用，因此得以确认“失踪”的电子型中微子其实转化成了别的类型，但太阳中微子的总通量保持不变。

SK和SNO实验将中微子物理学带入了一个鼎盛时代。在它们之后，多个加速器和反应堆实验也都观测到了令人兴奋的中微子（或反中微子）振荡现象。特别值得一提的是，由中国科学家主导的大亚湾反应堆实验于2012年3月在激烈的国际竞争中脱颖而出，率先观测到较短基线（约2千米）的电子型反中微子振荡并测量了最小的中微子混合角，令国际学术界刮目相看，为粒子物理学史留下了浓墨重彩的一笔。2015年1月，举世瞩目的江门中微子实验（简称JUNO）在广东省破土动工。这一长基线（约55千米）的反应堆实验旨在测量中微子的质量顺序并研究超新星中微子等诸多基本问题，预期将于2020年开始获取数据。毫无疑问，中微子物理学的明天依然令人期待，而中国也有望在这一激动人心的领域做出更多、更大的突破和发现。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）