获奖者麦克唐纳与梶田隆章

1．获奖缘由

北京时间6日傍晚，2015年度的诺贝尔物理学奖揭晓，梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B.McDonald）荣获该奖项，以表彰他们对中微子振荡的发现，从而证实了中微子有质量。

据评审委员会介绍，梶田隆章在15年前介绍了某种中微子从宇宙到达位于日本本州岛中部的神冈中微子探测器途中，其特征会出现两种转变。而麦克唐纳同时证明了不同种类的太阳中微子在抵达地球途中会相互转变种类。中微子在很长一段时间都被认为没有质量，这两位科学家的发现证明了中微子振荡现象，揭示出中微子无论多小都具有质量，这是粒子物理学的历史性发现。

瑞典皇家科学院在新闻公报中说：“这两名获奖者的研究对证明中微子改变特征作出了关键性贡献，引发这种物理变化需要中微子具有质量，他们的发现改变了人类对物质内部运作的理解，并能提升对宇宙的认知。”

2．中微子

我们生活在一个中微子的世界里。每一秒都有数以万亿计的中微子通过你的身体。但你看不到它们，也感受不到它们的存在。中微子几乎以光速在宇宙中传播，几乎不与物质发生相互作用。那么它们究竟来自何方？

其中一些中微子是在宇宙大爆炸中产生的，其他则产生于空间或地球上的各种不同过程之中——从恒星衰亡时的超新星爆发，到核电站内的反应堆，以及自然发生的放射性衰变过程等等。甚至在我们的身体内部，平均每秒也有超过5000个中微子在钾的同位素衰变过程中被产生出来。在抵达地球的中微子中，大部分都源自太阳内部的核反应过程。在整个宇宙中，中微子的数量仅次于光子，是宇宙中数量最多的粒子之一。

然而，长期以来科学家们甚至都无法确认中微子是否真的存在。中微子的概念最早由物理学家沃尔夫冈·泡利（Austrian Wolfgang Pauli）提出（泡利是1945年诺贝尔奖获得者），他的主要目的是想为由于β衰变过程中似乎表现出来的能量不守恒现象而感到绝望的物理学家们找到一个解释。β衰变是原子核衰变的一种形式。在1930年12月，泡利以“亲爱的（从事）放射性（研究的）女士们和先生们”开头，致信给他的物理学同行。在这封信中，泡利提出，β衰变过程中的一部分能量可能是被一种具有电中性，弱相互作用且质量极小的粒子所带走了。但甚至是泡利本人也几乎不相信这样一种粒子是真实存在的。据说他曾经说过这样的话：“我做了一件糟糕的事情，我提出了一种不可能被探测到的粒子。”

不久之后，意大利物理学家费米（Enrico Fermi，1938年诺贝尔物理学奖获得者）提出了一种优雅的理论，并且其能够将泡利所提出的这种质量极小且具有电中性的粒子也包含在内。这种粒子被称作“中微子”。没有人会想到，这种小小的粒子将引发粒子物理学乃至宇宙学的革命。

但人们还需要等待大约1/4个世纪才能真正等来中微子被真正发现的日子。机会出现在1950年代，当时由于核电站的建设，大量中微子从中产生。在1956年6月份，两名美国物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines，1995年诺贝尔奖获得者）以及克莱德·科温（Clyde Cowan）给泡利发去一封电报——中微子在他们的探测器中留下了踪迹。这一发现证明这种鬼魅般的粒子是真实存在的。

3．梶田隆章和麦克唐纳的工作

梶田隆章（日语：梶田隆章/かじたたかあきKajitaTakaaki，1959年-），是日本物理学家、天文学家，现任东京大学宇宙线研究所所长、同研究所附属宇宙中微子观测信息融合中心负责人。1986年，梶田隆章担任东京大学理学部助手，开始对中微子的研究。他在世界一流物理学家小柴昌俊、户塚洋二门下学习，在观测中微子时发现异样，依此推测中微子震荡的存在。为证实此一推论，需要庞大的观测数据，超级神冈探测器因此应运而生。1996年，超级神冈探测器成功观测大气中的中微子，并测定其质量。1998年，研究成果在“中微子物理学·宇宙物理学国际会议”上首次发表。1999年，梶田因此获得日本物理学最高奖“仁科芳雄奖”。

阿瑟·麦克唐纳（ArthurB.McDonald，1943年8月29日-），加拿大物理学家、萨德伯里中微子天文台研究所主任。他还是女王大学戈登和帕特里夏灰色粒子天体物理主席。2001年8月，在麦克唐纳的领导下，依据安大略省萨德伯里中微子天文台地下2100米的检测设施的观测结果，可推论出来自太阳的电中微子振荡成为μ介子和tau中微子。麦克唐纳和戸塚洋二被授予2007年富兰克林奖章。

2014年，美国《今日物理》杂志（PhysicsToday）预测，因户塚洋二已故，梶田隆章可望与阿瑟·麦克唐纳分享诺贝尔物理学奖。

4．中微子振荡

中微子振荡是一个量子力学现象。最早由理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫于1957年提出。中微子共有三种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，成为中微子振荡。中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合，一个电子中微子具有三种质量本征态成份，传播一段距离后变成电子中微子，μ子中微子，τ子中微子的叠加。之前，Super-K实验与Homestake太阳中微子实验于2002年获得了诺贝尔奖。

在“中微子振荡”这个概念出现以前，根据狭义相对论而建立的中微子标准模型，中微子的质量应为零，并应该以光速行进。然而，近年的研究似乎开始对“中微子的质量是零”这个假设开始动摇，亦因此开始有人质疑中微子是否能够以光速行进。

今年的诺贝尔物理学奖获奖人解决了中微子之谜，从而开启了粒子物理学研究的崭新篇章。物理学家梶田隆章以及阿瑟·麦克唐纳分别来自两个大型研究团队：超级神冈探测器团队以及萨德伯里微中子观测站，他们发现了中微子在飞行过程中的转变现象。

在地下深处，巨大的研究设施中数以千计的探测器正等待着时机，以揭开中微子的谜团。1998年，梶田隆章首先发现中微子似乎存在转变现象，在它们抵达日本超级神冈探测器的过程中，中微子的形式似乎发生了改变。这一探测设施所捕捉到的中微子是宇宙射线与地球大气层相互作用所产生的。

与此同时，在地球的另一端，加拿大萨德伯里微中子观测站的科学家们正在开展对来自太阳的中微子的研究工作。2001年，由阿瑟·麦克唐纳率领的研究组首次证明这些中微子同样存在类似的转变现象。

这两项实验的结果导致了一种新现象的发现——中微子振荡。而更进一步的意义还在于，曾经长期被认为是没有质量的中微子其实是有质量的。这不管是对于粒子物理学还是对于我们理解宇宙的本质都具有极重要的意义。