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“高山”之巅:1998年那个中微子物理学的春天 精选

已有 6865 次阅读 2018-8-9 12:40 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

 1998年6月4日至9日,中微子物理学界的盛会NEUTRINO’98在日本高山(Takayama)召开,它开启了中微子物理学的春天。在随后的20年间,中微子振荡实验取得了一个又一个突破性的成果。回过头来看,那次会议的规格之高和历史意义之深远,怎么说都不过分。

 

当年参加NEUTRINO’98会议的诺贝尔奖得主有哈佛大学的理论物理学家Sheldon Glashow和芝加哥大学的实验物理学家James Cronin,两人都做了35分钟的专题报告。普林斯顿高等研究院的Frank Wilczek作了40分钟的大会总结报告,题目是“Future prospects”,他后来于2004年荣获了诺贝尔奖。东京大学的小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)在Wilczek之后作了20分钟的“Comments”发言,他在四年之后的2002年获得了诺贝尔奖。加州理工学院的Barry Barish作了20分钟的报告,探讨了间接寻找暗物质的可能性,他于2017年获得了诺贝尔奖。东京大学的梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大女王大学的Arthur McDonald分别针对大气和太阳中微子实验在会上作了35分钟和20分钟的报告,他们二人分享了2015年的诺贝尔奖。也就是说,今天来看,至少七位诺贝尔奖得主现身于1998年的中微子大会,这种场面几乎是空前绝后的。


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佛罗里达大学的理论物理学家Pierre Ramond作了大会的“Opening lecture”,他在报告中首次使用了MNS轻子混合矩阵的概念,以纪念1962年最先提出中微子味混合机制的三位日本理论家,即名古屋学派的牧二郎(Ziro Maki)、中川昌美(Masami Nakagawa)和坂田昌一(Shoichi Sakata)。后来人们通常将中微子混合矩阵称为PMNS矩阵,其中P代表意大利理论家Bruno Pontecorvo,他是费米学派的代表人物之一,被誉为中微子物理学领域“教父”级的人物。


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会议的第一天主要讨论太阳中微子,东京大学的铃木佳一郎(Yoichiro Suzuki)作了30分钟的大会报告,介绍了超级神冈探测器发现太阳中微子失踪的奇特现象,并宣称中微子振荡的真空解与实验数据符合得最好,而这意味着对应的太阳中微子混合角最大,即45度。

 

会议的高潮出现在第二天上午,梶田隆章代表超级神冈合作组报告了关于大气中微子的测量结果,在6.2s置信度的水平发现了大气中微子振荡现象,而且其结论是模型无关的!当时Power Point放映技术还没有被发明,所有的报告人使用的都是透明片,梶田隆章的报告中最重要的一页如图所示。这一革命性的发现开启了中微子物理学的新篇章,也预示着中微子振荡实验的春天已经来临。


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时任美国总统Bill Clinton在第一时间对高山中微子会议的成果做出了反应,他在199865日举行的麻省理工学院毕业生典礼上演讲时说了如下这番意味深长的话:

 

Just yesterday in Japan, physicists announced a discovery that tiny neutrinos have mass. Now, that may not mean much to most Americans, but it may change our most fundamental theories -- from the nature of the smallest subatomic particles to how the universe itself works, and indeed how it expands.

 

This discovery was made, in Japan, yes, but it had the support of the investment of the U.S. Department of Energy. This discovery calls into question the decision made in Washington a couple of years ago to disband the super-conducting supercollider, and it reaffirms the importance of the work now being done at the Fermi National Acceleration Facility in Illinois.

 

The larger issue is that these kinds of findings have implications that are not limited to the laboratory. They affect the whole of society --- not only our economy, but our very view of life, our understanding of our relations with others, and our place in time….

 

Clinton在讲话中强调了基础研究的重要性,也表达了他个人对美国政府当年放弃超导超级对撞机(SSC)项目的一丝懊悔。他的这些论述后来被超级神冈实验室贴在自己的网站上好多年。


超级神冈大气中微子实验的主要研究对象是来自地球周围大气层的muon子中微子。宇宙线与大气层相互作用会产生大量的带电pion介子,后者的衰变进一步产生电子型中微子、muon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,被安置在日本神冈的一个地下矿井中。能量处在GeV量级的大气中微子进入探测器后,会与水中的原子核发生非弹性散射反应,使得反应后产生的带电轻子(主要是电子和缪子及其反粒子)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。

 

但是超级神冈合作组却发现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muon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muon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tau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。因此超级神冈合作组的实验结果震惊了整个学术界。

 

超级神冈实验组的两位核心人物是户塚洋二(Yoji Totsuka)和梶田隆章,他们都是小柴昌俊的学生,但户塚洋二比梶田隆章大了整整17岁。作为NEUTRINO’98会议的组委会主席,户塚洋二在大会开幕式上致了欢迎词。自1998年以后,师兄弟两人获得诺贝尔奖的呼声都很高。但可惜的是,户塚教授不幸于20087月因患肠癌去世,年仅66岁。


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