来论｜为何中微子研究能屡获诺奖？

对于今年再次获得物理学诺奖的中微子，我还是比较亲切的，今年刚写了两篇中微子物理方面的研究论文，另外，我对以前的中微子诺奖也做过详细调研，写过一些物理学史和科学传播类文章。我也翻过今年物理诺奖得主弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）和别人合写的粒子物理教科书，听过IceCube（冰立方中微子天文台）的报告。

中微子最早是由诺贝尔物理学奖得主莱因斯（Reines）和美国物理学家考恩（Cowan）从核反应堆探测到的。后来，诺贝尔物理学奖得主戴维斯（Davis）探测到太阳中微子，神岗实验室探测到超新星中微子，超级神冈探测大气中微子，加拿大的萨德伯里中微子天文台研究太阳中微子，包括大亚湾在内的一些实验室研究核反应堆中微子。但这些中微子的能量相对较低，冰立方探测的中微子的能量达到拍（peta）电子伏特，1拍是10的15次方，它们来自宇宙深处，比如活动星系核。在超大质量黑洞吸积过程中，质子碰撞产生π介子，再发生衰变，产生中微子。中微子是电中性的，又具有穿透性，所以叫幽灵粒子，一般挡不住，不像光那样很容易被挡住、被吸收。所以中微子可以带给我们很多宇宙深处的信息。

这次物理学诺奖的结果也提醒大家，现在一个人独得诺奖也是可能的，这说明没有第二个人对这个项目的贡献可以和他分庭抗礼。

中微子最初由大物理学家泡利（Wolfgang Pauli）提出，他为了解释β衰变的连续谱。β衰变的连续谱就是说β衰变出来的电子各种动能都有可能，好像能量不守恒了。量子论先驱丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）当时就说，在这些过程当中，能量就是不守恒。泡利说这是错误的想法，能量必须要守恒，衰变以后，单看电子，好像能量不守恒，是因为一部分能量被另外一个东西带走了，这是一个未知的粒子，它就是中微子。 

但是泡利对这个思想并不是很坚定，有过几次反复，犹豫不决，说了后又否定又肯定。几年以后才明确，但是从来没有正式写过论文。不过大家都公认是泡利提出了中微子假说。

中微子探测是个困难。一开始是间接探测，比如说通过反冲。这个反冲法是抗战期间浙江大学西迁到贵州湄潭的时候由王淦昌先生提出来的，发表在Physical Review（物理评论）上，这很了不起。后来，美国科学家艾伦（Allen）等人用王淦昌的方法去测了，而且成功了。

但是，这里有一个误解，就是以为别人用王淦昌的方法探测成功后获得诺奖。其实后来探测到中微子并没有用王淦昌方法，用王淦昌方法成功做出实验的实验家也没拿到诺奖，因为王淦昌提出的方法只是用来间接证明中微子的存在，并不是直接探测到中微子。

首次直接探测到中微子的是莱因斯（Reines）和考恩（Cowan），是从核反应堆里出来的反中微子。莱因斯因此获得诺奖，考恩那时已去世。他们探测成功以后还发了一个电报给泡利，泡利正在开会，收到电报后中断会议开香槟。

后面又有中微子振荡的发现。关于最初的想法，人们一般将功劳归于彭蒂科沃（Bruno Pontecorvo）。

中微子有一种叫做“味”的特性，相应的量子数是1，代表轻子种类。存在不同“味”的中微子，即轻子种类不一样，有3种味，即电子型性中微子、缪子性中微子、陶子型中微子。电子型中微子：电子味轻子数是1，电子的电子味轻子也是1；缪子型中微子：缪子味轻子数是1，缪子的缪子味轻子也是1；陶子型中微子：陶子味轻子数是1，陶子的陶子味轻子数也是1。在β衰变等弱相互作用主宰的衰变中，电子或缪子的数目改变，就会用相应的正反中微子去补，以维持相应味的轻子数守恒。

彭蒂科沃提出中微子振荡。由于量子力学的原因，中微子的味可以振荡来、振荡去。这其实是受以前杨振宁和李政道先生关于正反K介子之间的振荡的理论的启发。

杨先生本人一开始不太相信中微子分不同的味以及中微子振荡。诺贝尔物理学奖得主格拉肖（Sheldon Glashow）回忆说，他博士论文答辩的时候，杨先生就质疑中微子分不同的味，因为当时没法区分。但是后来，戴维斯（Davis）的实验结果出来以后，杨先生改变了看法。

中微子振荡的猜想最早用来解释太阳中微子短缺，就是说按照可信赖无误的太阳物理预言放出的中微子，到了地球上变少了。讨论了很多年，这是太阳模型的问题，还是因为中微子振荡，太阳发出的电子型中微子传播到地球时，一部分振荡成其他味的中微子了。后来公认是因为中微子振荡。

最后给出中微子振荡更强证据的是日本人小柴昌俊。2002年小柴昌俊因为这一贡献和戴维斯以及发现宇宙x射线的贾科尼（Giacconi）分享诺奖，他的学生梶田隆章，实际上代表同一个实验室，2015年又拿了一次，和加拿大物理学家麦克唐纳（McDonald）分享，因为中微子振荡。梶田的获奖工作是探测大气中微子，麦克唐纳反而是探测太阳中微子。

很多实验室测量中微子振荡的参数，包括用反应堆中微子，中国的大亚湾实验就是用大亚湾核电站产生的中微子。中微子振荡的参数用3种质量本征态来刻画，包括两两质量平方差，刻画两两转化的一个角度。3种质量本征态与3种味态不一样，就像两套不平行的直角坐标系，这样才会有味态的振荡。大亚湾测到了第一和第三种质量本征态之间的转化角，θ13，给出最好结果。

看来中微子是一个得诺奖好途径。不过冰立方测到的是宇宙中微子。我记得当年戴维斯和小柴昌俊的颁奖词也说是宇宙中微子，当然他们那个宇宙是指宇宙中比较靠近我们的地方，能量是兆（=百万）电子伏特，这一次是宇宙中很远的地方，主要是银河系以外，能量是拍电子伏特，大了9个数量级。

这给人一种什么启示呢？就是研究粒子物理看来这是个很好的途径，或者说是不得不走的途径，但要跟天文、天体物理交叉起来。因为宇宙是天然的加速器，我们在地球上，做能量提高较大的加速器实在是太贵了，所以杨先生反对巨型对撞机。而冰立方这个探测宇宙的设备是一个很好的途径。

还有一个启示是非加速器粒子物理，不用对撞机加速器的粒子物理。比如如果给质子衰变测出一个明确的结果，比如给寿命有一个有限的上限，肯定也能得诺奖。这是很重要的一个冷门课题但是坚持做成功就能得诺奖的例子。

从寻找新物理的角度，如果说地球上的实验室里面没有找到新物理，就先从宇宙下手，就好比粒子物理早期，宇宙线扮演了重要角色，1930年代，只有宇宙线提供了大于几个兆电子伏特的粒子，那时还没有提供超过这个能量的加速器。所以现在是宇宙线物理的新时代，虽然更多是叫天体粒子物理。从天文学的角度，当然，中微子提供了观测宇宙的新途径，与传统电磁波途径、引力波和宇宙线共同组成多信使天文学。冰立方结果的信号统计显著性有的不到5σ，有的超过，2023年有4.5σ，2026年更新到5.7σ。xσ的意思是说，信号超出本底预期的偏差是σ的x倍，其中σ是本底涨落的标准差。x越大代表信号越显著，粒子物理中，x=3叫证据，x=5叫发现，x=4.5说明非常像真的，x=5.7已经是非常明确的发现（如果是噪声涨落碰巧造成，概率相当于连抛26次硬币全正面那么小）。

中微子还有一个未解之谜是它是不是马约拉纳费米子。最近马约拉纳费米子在凝聚态物理研究挺多。马约拉纳费米子是指某个费米子的反粒子就是它自己。这当然立即要求必须是电中性的。光子就是自己的反粒子。但是光子是玻色子，不是费米子。中微子既是费米子，又是电中性的。

那么它是不是马约拉纳费米子呢？一个检验方法就是研究双β衰变，也就是放出两个电子的β衰变中。如果中微子不是马约拉纳费米子，那么就会同时放出两个电子型反中微子，以保证电子味轻子数守恒。如果中微子是马约拉纳费米子，中微子同时就是反中微子，所以立即被吸收，这样总的来说，就没有中微子产生，而且就违反轻子数守恒。这就是无中微子双β衰变。如果完成这个实验，就是诺奖级的。有中国科学家参加国外这方面的实验。据我所知，中国已经有规划，但还没有开始。另外，中微子还有一个潜在应用，就是可以探索它在找矿和地球科学方面的应用，因为矿石中的铀钍会通过β衰变放出中微子。

（本文作者施郁，系中国科学技术大学上海研究院维尔切克量子中心副主任。从事理论物理若干领域的研究，涉及量子物理、凝聚态与统计物理和高能物理，也对物理学史和诺贝尔物理学奖有深入研究。）