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Highlighting JAPAN

解开中微子之迷

诺贝尔物理学奖得主 梶田隆章

现任东京大学宇宙射线研究所所长的梶田隆章先生,因发现了粒子物理的中微子振荡而获得了2015年的诺贝尔物理学奖,他讲述了有关中微子研究的过程和未来。

中微子是原子中一种最小单位的基本粒子。138亿年前宇宙诞生时,曾瞬间产生了大量的中微子,现在的中微子源自太阳,以及宇宙射线和大气中的原子核互相作用。地球上不断有大量的中微子穿过,我们人类周围存在着很多的中微子。

但是,中微子实在是太轻了,它可以穿过任何的物质,这使得很难看见或者捕捉到它。从太阳产生的中微子,不仅可以通过我们人体,还穿过地球从相反的方向出来,穿过物质的时候也没有引起反映。中微子长期以来被认为是没有质量的。

获得诺贝尔物理学奖的梶田隆章向世界证明了中微子是有质量的。中微子具有电中微子、μ中微子,和τ中微子三种“味”。一直有说法如果中微子是有重量的,那么在飞行的途中它能从一种味变化到另外一种味。例如从μ中微子变化成电中微子。中微子的这种不同类型之间变换的现象被称为“中微子振荡”。

通过设立在岐阜县飞驒市神冈矿山地下1公里的超级神冈探测器,梶田教授和他的团队发现从地球另一侧穿透过来的中微子,有一半从μ中微子转变成其他味。当这一结果在1998年发表的时候,在场的科学家给予了持续长达数分钟的站立鼓掌。这个发表颠覆了粒子物理学说中的标准,那就是中微子被假设为零质量。

梶田教授说:“通过超级神冈探测器的前身神冈探测器而进行的实验,我们用了约10年的时间逐渐发现并证明了中微子振荡。我相信能有此成果,很大程度上是由于安装了世界领先的超级神冈探测器,而这是在别的地方实现不了的”。

梶田教授从设计之初就参与的超级神冈探测器,在地下深处的水槽里贮藏有5万吨的纯水,1万个以上的光学传感器会捕捉中微子撞击水分子或者与水分子发生反应的瞬间。在这个过程中每秒会有40万兆个太阳中微子通过,而每天能捕捉到的反应只有10个。不过,这一点点的中微子却是解开宇宙起源、超新星爆炸之谜的隐形钥匙。

梶田教授说:“我相信通过探究中微子振荡,我们可以有机会了解到宇宙诞生那一瞬间,物质是怎样被创造出来的。而且,在超新星爆炸的瞬间,能研究10秒中飞跃出的约1万个中微子,那么就可以解释在重星死亡坍塌时,在中心的爆炸发生了什么。”

即使梶田教授的研究动摇了宇宙性质的基本概念,这也为困扰现代科学家很长时间的问题提供了解决的突破口。梶田教授说:“由人类知识的拓展,人类知道的会越发丰富。”伴随着这些知识,我们或许还能够追根溯源到宇宙起源之初的那一刻呢。