外媒热评中微子新振荡：中国物理学最大发现

3月8日，我国大亚湾中微子实验国际合作组宣布，发现新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。鉴于这一结果将对中微子物理未来发展起决定性作用。连日来，大量国外科学媒体对该事件进行了报道及评论。

就在中方消息发布及论文公开当天，英国《自然》杂志在线版以《对中微子震荡的创纪录式精密测量》为题，介绍了实验相关的详细情况。文章称：“幽灵般的亚原子中微子，从一个形态转化为另一个形态——即中微子振荡的几率，这个曾经可望而不可及的参数，现已被首次精确地测量。”

文章援引美国加州劳伦斯·伯克利国家实验室人员、大亚湾中微子实验项目和业务经理威廉·爱德华兹的话称：“这是一个莫大的惊喜。”同样来自该实验室的合作发言人陆锦彪(音)表示：“现在知道它(θ13)非零，我们可以继续向前走，以找寻CP破坏。”

同在3月8日，美国《科学》杂志在线版“科学此刻”栏目发表文章《中国物理学家揭露中微子测量的关键》。在开篇中将中微子比喻成“难以捉摸的、亚原子世界的变色龙”。文章评价，“此次成果完成了一幅中微子的概念图”，并称“这为‘中微子与反中微子行为间不对称’的实验铺平了道路。其将可以解释为何现在的宇宙中有如此多的物质，却只有那么一丁点儿的反物质这一问题”。

该文章明确指出：“θ13非零的事实，将使中微子物理学界在未来10年左右收获丰厚。”而参与大亚湾项目、来自托马斯·杰斐逊国家加速器实验装置的罗伯特·麦基翁对《科学》网站表示，大亚湾实验结果之所以蔚为显著，另一个原因则在于“这可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。该文章最后称：“看起来，中国粒子物理的时代业已到来。”

美国物理学家组织网早在3月1日就发布消息称《大亚湾中微子实验结果或超预期》，3月8日，在中方将论文公布的第一时间又发布了《大亚湾实验发现中微子转换的新类型》，并指出该结果解决了一个“长期存在的、难以捉摸的谜题”。

物理学家组织网引用美国能源部高能物理科学副主任詹姆斯·西格里斯特的话称：“是模范的团队合作引领了这次出色的表现。成果极其显著，但对这个世上最为重要的反应堆中微子实验来说，不过是个开端。”

英国《新科学家》杂志在线版3月9日以《中微子或有助解释失踪的反物质》为题，发布了实验相关消息。威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈泽恩在采访中称：“(实验结果)表明θ13相当的大。”而这“意味着物理学家们现在可以构建实验，来找出为何中微子与反中微子的行为不同的答案。如果θ13太小则没这个可能”。在文章最后，哈泽恩表示：“θ13之‘大’可以说是带来了希望——这个几乎令人惊异的实验结果使中微子物理学坚定地驶上了快车道。我们现在知道，已可以移步至下一个前沿阵地了。”

美国《每日太空》网站的报道侧重在该结果对宇宙学理论的影响。文章称，θ13的发现可能有助于解决一些有关宇宙的最大谜团，诸如为何现在的宇宙物质比反物质更多的现象，其关乎恒星、行星、人类甚至现今存在的所有一切。尽管“小小中微子世界微妙的不平衡，看似不可能对人类有太大影响，但发现中微子和反中微子之间的不平衡关系，却可以让我们了解所有关于宇宙早期形成的关键”。

美国费米实验室和斯坦福直线粒子加速器联合出版的《对称》杂志，以《大亚湾实验产生关键性测量，为未来的发现铺平道路》为题，细致的描述了实验情况及中微子相关研究。文章作者称，无论运行速度是否真的比光快，中微子都是令人着迷的神秘粒子。“人们早已经能够估算中微子两种形态转变发生的几率。但对于另一种，也是最为罕见的形态，依然束手无策。”不过，“9个星期的数据记录与对成千上万个反中微子互动的观察，中国大亚湾实验室和美能源部下属实验室的专家终使计算达到了超乎预计的精准度，估量出了其振幅。”

该文章同时指出了大亚湾中微子实验项目面临的国际挑战：“在日本T2K实验和美国MINOS实验展开9个月之后，却是中国大亚湾实验室对问题给出了确定的答案，而之前为此进行过高精度实验的，还有法国的Double Chooz项目和韩国的RENO项目。”

罗伯特·麦基翁在接受《对称》采访中指出：“世界各地有五大实验项目的物理学家都对此展开竞赛，现在大亚湾实验的精确测量提供了最后的线索，帮助我们理解了中微子转换。”“经对所有混合角的测量，物理学家可以继续下一组雄心勃勃的实验研究——CP破坏，或称之为宇称不守恒。”

美国费米实验室的理论家鲍里斯·凯瑟在评论该实验的影响时指出：“解决这一(CP破坏)问题，除了θ13，还需要确定中微子的质量次序。”“短期内有望解决中微子质量次序问题的，是美国明尼苏达州NOVA实验。但大亚湾中微子实验的结果，成功打开一个重要窗口，使人们了解到中微子的行为。”

《科学美国人》杂志在线版认为，这个行为就是实验确定了θ13大约是0.09，此值远大于预期。大亚湾项目合作成员、威斯康星大学麦迪逊分校的卡斯滕·黑格对《科学美国人》杂志说：“这是第一次以实验证实其不为零。”而《对称》杂志对此的解释是：“θ13非零，这对于NOVA实验以及在南达科他州的长基线中微子实验都是个好消息，因为如果θ13为零或非常接近于零，这两个实验都将无法实现自己的目标。”

《对称》杂志在文章最后总结称：“此次大亚湾中微子振荡概率研究的突破，对回答中微子物理学中的两个重大问题具有重要意义，即这三种中微子的质量如何排序？这是否就是反物质消失不见而物质极端丰富的原因？大亚湾实验测量之关键，为今后的科学发现奠定了基础。”

盘点八个著名中微子实验：未能真正挑战相对论

许多人都听说过著名科学家爱因斯坦的一个论断，即光速不可超越。然而，意大利OPERA实验室科学家于去年末曾经通过实验得出结论认为，微中子可能快过光速，这一结果似乎颠覆了多年来被大多数人奉为权威的爱因斯坦理论。尽管后来证实，这一结果是由于实验环节出现误差而得到的，可能并不正确，但是这也证明了科学未知领域的复杂性和神秘性，尤其是微中子领域。

纵观历史上所有的微中子实验，似乎都取得了一度振奋人心的结果，但并没有得到能够真正挑战爱因斯坦相对论的实质结果。尽管实验结果仍然令科学家迷惑不解，但也解决了不少理论上的谜团和难题。以下就是历史上著名的中微子实验：

1、日本Super-Kamiokande中微子实验

中微子是一种极其微小的基本粒子。对于宇宙中的每一个质子或电子来说，可能都至少有10亿个中微子。科学家们需要弄清楚，中微子究竟是如何工作的，因为它们与物理学许多领域都存在紧密联系。这种无处不在的粒子从宇宙大爆炸后几毫秒内就开始存在，在元素的放射性衰变中、恒星的核反应中以及超新星爆炸过程中都会产生新的中微子。

美国费米实验室“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说，“它们是宇宙中的一种主要粒子，但我们至今对其知之甚少。”中微子之所以难以理解，主要原因在于它们几乎不能与其他物质结合。与常见的电子不同的是，中微子没有电磁电荷；它们质量非常轻，以致于科学家们长期以来一直认为它们根本没有质量。探测它们需要紧密监测一大容器物质(如水)，中微子撞击到其他粒子时，会产生可观测到的变化。如，本图所示的是日本Super-Kamiokande中微子实验环境，研究人员正坐着一艘小船行驶于其中。这个探测器由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成。　　

2、β衰变

科学家们最早是在β衰变过程中开始关注这种微型粒子的。20世纪初，研究人员注意到β衰变中的一些奇怪现象。如果释放出来的粒子只有电子，那么β衰变这个过程似乎违背了物理学定律，即能量守恒和动量守恒。当时没有人知道为什么会出现这种现象。然而，在每个新实验结果中，违背物理学定律的证据变得越来越有力。20世纪30年代，物理学家沃尔夫冈-保罗开始怀疑，核衰变过程可能比此前认为的更复杂。如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物，那么这些违背物理学定律的矛盾就迎刃而解了。这种所谓的其他事物，应该就是中微子。但是，如果中微子存在，它们必须非常轻，而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒子，也没有人想到较好的办法去发现它们。在相当长一段时期内，科学家一直认为探测中微子是不可能的。　　

3、发现中微子实验

1956年，研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内，美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。许多研究人员认识到，这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子，因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合，但是也存在一种微弱的可能性，即存在足够多的物质，一个中微子应该可以撞击到某种事物。

在β衰变的反过程中，这种直接撞击可以产生伽马射线。当时，物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近，只要反应堆开启，他们的实验就有可能首次探测到中微子。虽然科万于1974年就已去世，但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。本图所示内容为，两位科学家宣布发现中微子的电报。　　

4、加拿大萨德伯里中微子实验

几乎所有的中微子都产生于太阳内部巨大的核反应堆中。天文学家希望能够捕获这些中微子，因为它们之中包含有太阳内部的重要信息。1964内，物理学家雷-戴维斯和天文学家约翰-巴卡尔在美国南达科塔州的霍姆斯塔克矿中建立起一个实验环境用于发现这些中微子。这种探测器需要建于深深的地下，是因为闯入地球大气层的宇宙射线可能会干扰实验结果。

在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后，研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们的计算，太阳的中微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此，科学家们从头再来，试图寻找计算过程中的错误和漏洞，并更正估算结果。但是，他们仍然无法发现自己错在哪里。霍姆斯塔克实验运行了30多年，总是得出同样的结果。天文学家怀疑自己的太阳模型可能是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时，研究人员发现了中微子其实有三种不同的类型，β衰变过程中或太阳内部产生的中微子是电子中微子，而其他过程中产生的粒子则是缈子中微子与涛中微子，霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。在从太阳飞往地球的过程中，电子中微子会转变成其他类型。因此，霍姆斯塔克实验就无法探测到其他两种中微子。

随着新探测器的出现，三种中微子都被探测到，那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此前，一些科学家认为中微子没有质量，而不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质量。2001年，加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所有三种来自太阳的中微子。　　

5、IMB探测器

上世纪80年代，科学家被一个与中微子无关的问题所困扰。一些理论家认为，被公认为稳定的粒子--质子应该可以衰变成更轻的亚原子粒子。如果这一说法正确，那么这将是物理学家长期以来梦寐以求的结果，从而可以形成一个统一的理论，将电磁作用力、强作用力和弱作用力理论融合在一起。如果质子会衰变，这将会对地球上的生命造成很大的麻烦，人体内的原子可能混乱地转变成其他元素。因此，理论家认为，质子可能会衰变，但速度极为缓慢，时间表甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。 为了验证这一结论，科学家们在一个盛满水的大容器中监测质子的数量。为了保证实验不受干扰，实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微子，这些中微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像一个衰变的质子，因此研究人员需要弄清楚他们可能会看到多少中微子。在测量过程中，科学家们发现了非常怪异的现象。来自实验环境以上的中微子要远远多于下部抵达的中微子，比例大约是2：1。历经10年的困扰，科学家们终于发现，中微子在飞行过程中，来自地底的中微子有时间转变成不同类型的中微子，由于实验设备只对一种中微子敏感，因此就错过了发生变异的其他中微子。这一发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。本来用于探测质子的实验，发现了中微子的重要特征。相反，直到今天，仍然没有人能够发现质子衰变。本图所示，一名潜水员在俄亥俄州的IMB探测器中游泳。这个探测器建造于上世纪80年代初，本来用于探测质子是否衰变，反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。

6、液体闪烁器中微子探测器实验

1993年，科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验室中建造了液体闪烁器中微子探测器。他们的目标就是弄清楚中微子是否能够从一种类型转变成另一种类型。液体闪烁器中微子探测器的著名之处在于它发现了电子反中微子。对于这一怪异的发现，最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微子探测器的发现表明可能存在第四种或更多类型的中微子。第四种中微子的存在将对现有的粒子物理学模型发起巨大的挑战，但它也可以用来解释某些未解谜团，如超新星爆炸的细节等。不过，许多研究人员仍然对液体闪烁器中微子探测器的发现持怀疑态度，这一发现又成为中微子物理学中的一大谜团。本图所示，一位物理学家蹲在液体闪烁器中微子探测器中。

7、迷你升能器中微子实验

从2002年起，美国费米实验室科学家开始启动新的探测实验--“迷你升能器中微子实验”，该实验的目的就是证实或否定液体闪烁器中微子探测器实验的发现成果。他们最初的结果似乎证明液体闪烁器中微子探测器实验结果有误，但是进一步的实验数据发生了变化。“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说，“现在看起来，迷你升能器中微子实验与液体闪烁器中微子探测器实验的结果是一致的。”两大实验的结果表明，仍然存在许多怪异现象。中微子科学家们需要建造更多的探测器和实验设施去解答这些谜团。本图所示场景为迷你升能器中微子探测器的墙壁。

8、长基线中微子实验

为了完全揭开中微子之谜，科学家们需要新一代的探测设备。美国科学家们希望能够获批建造长基线中微子实验设施，他们通过这一实验或将能够回答一个深奥的问题：宇宙为什么是由物质组成的，而不是反物质。这一设施将产生世界上强度最高的中微子束，并将它从美国费米实验室发送到南达科塔州的霍姆斯塔克矿中。尽管这一实验设施尚未正式获得批准建设，但该实验已吸引了400多名科学家签约加盟。本图所示为长基线中微子实验示意图。