中微子的身份转变陷入诺贝尔物理学奖

捕捉中微子的身份转变行为赢了东京大学的 Takaaki Kajita 和加拿大金斯顿女王大学的 Arthur McDonald 获得 2015 年诺贝尔物理学奖。科学家们带头进行了大型地下实验，结果揭示了难以捉摸的粒子从一种变体变成另一种变体。这些重要的发现表明中微子具有质量，这证实了许多物理学家的怀疑，但违背了标准模型，即预测自然粒子和力的特性的框架。

“这非常令人兴奋，”麻省理工学院的中微子物理学家珍妮特·康拉德说。 “我等这一刻已经等了很多年了。”中微子质量虽然对于单个粒子来说很小，但可能对改进标准模型和理解宇宙的演化产生重大影响。

自从物理学家沃尔夫冈·泡利在1930年提出中微子的存在以来，中微子就一直具有神秘的吸引力。中微子自宇宙诞生以来就一直存在，并且在恒星和核反应堆的核心中不断产生。但它们很少与其他物质相互作用。 20 世纪，物理学家得出结论，中微子没有质量，并以三种“味道”出现，这三种“味道”以中微子与物质相互作用时产生的粒子命名：电子、μ子和τ子。

但那张照片有问题。太阳是一个巨大的核反应堆，发射出大量的电子中微子，但实验检测到太阳辐射的电子中微子数量大约是预期的三分之一。一些研究人员开始怀疑太阳中微子在飞往地球的途中正在振荡或改变味道。

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然而，中微子很难探测到，需要聪明才智和庞大的探测器来研究它们。梶田和超级神冈登场。日本的地下实验于 1996 年启动，由 11,000 多个传感器组成，用于寻找 50,000 公吨水箱内中微子碰撞引发的闪光。

Kajita 和他的 Super-Kamiokande 合作者专注于检测当来自太空的带电粒子与空气分子碰撞时大气中产生的 μ 中微子。研究人员计算了中微子相互作用引起的罕见闪光，并绘制了每个中微子的来源图表。来自上方的μ子中微子多于下方，尽管它们穿过地球时未受影响。 1998 年，研究小组得出结论，来自地底的中微子在穿越地球内部的过程中有足够的时间来改变味道，而来自地表的中微子却没有（）。

虽然超级神冈探测器为中微子振荡提供了令人信服的证据，但该实验无法证明中微子总数（无论味道如何）是一致的。几年之内，加拿大萨德伯里中微子观测站通过重新审视失踪的太阳中微子问题解决了这个问题。较小但仍然相当大的水箱充满了重水，它由氢原子和一个额外的中子组成。有时，电子中微子会撞击原子并产生可检测到的电子。其他时候，任何味道的中微子都会撞击原子并触发可检测中子的释放。通过研究这些相互作用，研究人员对总中微子和电子中微子进行了独立普查。

2001年和2002年，麦当劳团队证实了来自太阳的电子中微子的稀缺性，但表明如果考虑到所有类型的中微子，这种短缺就会消失（）。麦克唐纳在新闻发布会上说：“在这个实验中，我们确实有一个灵光一闪的时刻，我们能够看到中微子在从太阳传播到地球的过程中似乎从一种类型变成了另一种类型。”

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萨德伯里的发现同时解决了太阳中微子缺失的问题，并证实了超级神冈探测器的结论，即中微子会改变味道并具有质量。虽然中微子可以被认为是粒子，但它们也是由不断相互干扰的三种成分（三种味道）组成的波。当中微子在空间中移动时，其复合波的特性会发生变化。

这些发现引发了康拉德所说的中微子振荡产业。分析太阳、大气、粒子加速器和核反应堆中产生的中微子的实验正在对中微子的身份改变行为进行精确测量。）。这些结果应该使物理学家能够确定三种中微子的确切质量，每种中微子的质量都必须非常小——大约是电子质量的百万分之一。

许多物理学家希望中微子进一步超出预期。最近的一些实验表明，中微子的振荡行为可能与其反物质伙伴不同。这种差异可能有助于解释为什么宇宙是由物质主导的，尽管宇宙一开始可能有等量的物质和反物质。