发现一些自然界最奇怪的粒子为两位实验人员赢得了2015年诺贝尔物理学奖。日本科学家Takaaki Kajita和加拿大研究人员Arthur B. McDonald将分享今年的奖项，以表彰他们的发现:中微子——有三种类型或味道的基本粒子——在太空飞行时实际上可以交换身份和改变味道。他们在世纪之交的发现不仅揭示了这些可变形粒子的奇异之处，也与粒子物理学的标准模型相矛盾。当时，物理学家预测中微子根本没有重量。然而，要让中微子改变口味，它们必须有质量。卡吉塔和麦克唐纳证明了中微子的质量必须非常小，但非零。准确地说，杏耀每种中微子的质量仍然是当今物理学中最重要的未解之谜之一。

 

“中微子是谜，”诺贝尔物理学奖委员会成员Olga Botner在今天早上的新闻发布会上说。今年的诺贝尔物理学奖向揭示中微子本质迈出了重要的一步。“今天早上，委员会联系了卡吉塔和麦克唐纳，传达了他们获奖的消息。“事实证明，我并不介意，”安大略省皇后大学(Queen’s University)的物理学家麦克唐纳在谈到黎明前的叫醒电话时说。“不用说，这是一次非常可怕的经历。幸运的是，我也有许多同事与我分享这个奖项，他们为完成这个测量做了大量的工作。我们当然非常满意，因为我们能够在一个非常基础的层面上增加世界的知识。卡吉塔无法在新闻发布会上打电话，他通过录音信息表示，他获奖的消息“仍然有点令人难以置信”。

 

作为东京大学的教授，Kajita领导了日本的超级神冈德实验，该实验在1998年第一次发现了中微子改变口味的过程——这个过程被称为振荡。超级神冈德使用一个巨大的水箱，里面装着极纯净的水，用来探测宇宙射线(来自太空的高能带电粒子)和地球大气中的原子之间相互作用产生的中微子。这些相互作用往往会产生大量的介子中微子(其他两种是电子中微子和中微子)。然而，当科学家们计算到达超级神冈德的介子中微子的数量时，他们发现的数量远远少于预期。最合理的解释是，部分入射的介子中微子在途中转向了其他中微子。

 

2001年，麦克唐纳领导的位于安大略省的萨德伯里中微子观测站(SNO)的研究小组宣布，他们在来自太阳的中微子中发现了类似的效应。太阳的中微子在其核心的聚变反应中产生电子中微子。SNO使用“重水”(其中同位素氘取代了“正常”的氢)来探测所有三种口味的中微子。在这里， 杏耀挂机软件 ，实验也发现了一种不同于预期的中微子混合——在这种情况下，更少的电子中微子和更多的tau和μ子。在这里，也有理由认为一些电子中微子已经振荡了。在这个实验中，我们发现中微子在从太阳到地球的过程中，从一种类型变成了另一种类型。”麦克唐纳说。

 

超级神冈德和SNO的研究人员都克服了许多障碍才有了他们的发现，尤其是观测中微子的困难——因为它们的质量很小，而且没有电荷——它们很少与探测器中的原子发生相互作用。诺贝尔奖得主、麻省理工学院的弗兰克·威尔切克告诉《科学美国人》:“这些实验规模宏大，杏耀平台灵敏度又高。”“中微子是难以对付的猎物!”这个领域的历史充满了不确定和不正确的结果。但Super-K和萨德伯里的团队做出了令人信服的工作，经受住了时间的考验。”

 

尽管中微子很难被探测到，但它非常普遍，仅次于光子(光的粒子)，是宇宙中最丰富的物种。每时每刻都有数万亿颗子弹穿过我们的身体，但一生中只有一两次(如果有的话)它们会击中我们体内的一个原子。即使那样，你也不会有任何感觉。除了由宇宙射线、太阳和其他恒星产生外，许多中微子也是在大爆炸中产生的。理解它们的本质是理解为什么宇宙会变成现在这个样子的关键。

 

根据量子力学，粒子，包括中微子，也可以被认为是波，这些波的频率取决于粒子的质量。要让这些粒子改变味道，它们必须改变频率，这就要求这三种味道的质量不同，因此非零。

然而，没人指望中微子有质量，因为解释大多数其他粒子质量的机制——希格斯场，与2012年发现的希格斯玻色子有关——并不适用于中微子。中微子的重要性表明，在已知的物理学之外，还有一些神秘的机制等待着被发现。一旦科学家们弄清楚它是什么，他们可能会发现它在塑造宇宙进化的过程中还有其他的影响。“中微子具有质量的发现具有深远的影响——不仅对粒子物理学，对超越标准模型的物理学，而且对天体物理学和宇宙学，”南极冰立方中微子实验的发言人Botner说。“中微子观测的发现开启了一个全新的、激动人心的、具有挑战性的物理学领域。”