Art McDonald教授于2015年与Kajita高明(Takaaki Kajita)共同获得诺贝尔物理学奖，以发现中微子振荡，这表明中微子具有质量。

中微子:基本粒子manbetxapp在线登录

宇宙是由什么组成的，自大爆炸以来它是如何演变的。这些是我们可以问自己的几个最有趣的问题。为了科学地回答这些问题，我们可以使用各种方法和方法。我来自粒子天体物理学领域，这是一个相对较新的研究领域，主要研究在太空中穿行的基本粒子，特别是那些到达地球的基本粒子。manbetxapp在线登录粒子物理学家试图理解构成物质的基本粒子以及支配这些粒子之间相互作用的力。manbetxapp在线登录一般来说，我们试图开发实验方法来找到最小的粒子，称为manbetxapp在线登录基本粒子,manbetxapp在线登录不manbetxapp在线登录能再细分的粒子。然后，根据我们的发现，我们生成了所谓的理论模型，这是一组解释物质是如何从这些基本粒子中产生的想法和方程。manbetxapp在线登录我们从来不说我们的模型是最好的，因为每个版本的模型都是基于我们目前对事物的理解水平，考虑到我们当前仪器的灵敏度或分辨率。多年来，仪器变得越来越灵敏，因此，我们了解到关于物质和我们所生活的宇宙的基本组成部分的新的和令人兴奋的事情。

描述粒子和它们之间的力的长期模型被称为manbetxapp在线登录标准模型［1］．(要了解关于标准模型的更多信息，请参见在这里)。根据标准模型，所有物质，包括构成我们身体的原子、我们呼吸的空气以及我们从太阳接收到的光，都是由基本粒子组成的。manbetxapp在线登录这些粒子是在manbetxapp在线登录大爆炸大约138亿年前，以及随后的宇宙演化过程中。

基本粒子包括电子、夸克和manbetxapp在线登录中微子（图1一个)，以及其他你可能听说过的粒子，比如光子、manbetxapp在线登录玻色子、胶子和希格斯粒子。在本文中，我们将重点讨论中微子。所有的基本粒子都通过四种基本力相互作用，即manbetxapp在线登录强作用力、弱作用力、电磁力和引力。夸克是质子和中子的组成物质。中子和质子组成原子核，原子核周围有电子(图1 b)．

中微子是由自然物质发出的放射性以及我们可以在科学设备加速器中产生的某些反应。然而，中微子通常是由太阳的核反应产生的，这一过程被称为核聚变。在核聚变中，两个原子核结合形成一个更重的原子，同时释放出大量的能量和粒子，包括中微子。manbetxapp在线登录这些中微子需要2秒的时间离开太阳，大约8分钟到达地球。他们的数量是惊人的，给你一个概念，每一秒在美国，地球表面每平方厘米都有650亿个太阳中微子穿过!

中微子是不寻常的基本粒子，因为它们只通过四种基本力中的两种与物质相互manbetxapp在线登录作用——引力和弱力(弱力可以使中微子将中子变成质子和电子)。由于中微子几乎没有质量，它们施加的重力非常小，几乎无法探测到。至于弱力，它们必须非常靠近其他质子、中子或电子才能相互作用。这使得中微子极难被探测。2］．中微子基本上可以穿过普通物质，就好像它几乎是透明的一样。事实上，中微子只有在正面撞击原子核或围绕原子核旋转的电子时，才会与物质相互作用，而这种情况很少发生，因为原子大部分都是空的。在所有其他情况下，中微子不受干扰地穿过物质——包括每秒钟穿过我们身体的数十亿个中微子!因为中微子只与我们的探测器相互作用非常弱，所以很难看到它们并测量它们的性质。由于中微子很少与物质发生相互作用，一些人称中微子为“宇宙的幽灵”。

尽管中微子难以捉摸，难以测量，但它在宇宙的形成中起着核心作用。它们有助于形成恒星和星系等结构。它们还帮助产生了宇宙大爆炸开始时产生的一些基本元素。

中微子有三种类型口味，被称为电子中微子、μ子中微子和τ中微子。每种味道都与相应的基本粒子——电子、μ子和τ相互作用(图1 c) [3.］．我们不知道为什么只有三种类型的中微子，但这些是我们迄今为止发现的类型，它们符合标准模型的预测。正如你将在下面看到的，我们的重要发现与中微子在太空中从太阳核心到地球时的味道变化有关，我因此在2015年与Kajita高明教授共同获得了诺贝尔物理学奖。

我们如何测量中微子

当我们开始研究中微子时，粒子天体物理学中有一个尚未解决的问题，叫做太阳中微子问题[4］．为了测量中微子，人们建造了特殊的探测器，但这些探测器显示，观测到的来自太阳的电子中微子的数量远远低于预期的数量，这是基于对太阳燃烧过程的非常可靠的计算得出的。从太阳到达地球的中微子的测量和预期数量之间的差异意味着两件事之一:要么我们需要更新基本粒子的标准模型，改变我们对中微子的思考方式，要么我们需要改变我们计算来自太阳的中微子数量的方式。manbetxapp在线登录这两种可能性都对我们对宇宙的理解产生了重大影响，因此，许多粒子天体物理学家都在共同完成一项任务，设计一个可以解决太阳中微子问题的实验。

如前所述，中微子不能通过与我们的探测器直接相互作用来测量。相反，中微子通常是被测量的间接利用在放射性过程中释放基本粒子时发生的效应。manbetxapp在线登录例如，电子中微子可以用一种叫做β衰变，在此过程中会发射出一个电子。我们可以测量发射电子的能量，科学家们最初认为在这个过程中只发射电子，所以他们期望测量所有发射电子的单一能量。相反，它们从发射的电子中获得了一系列较低的能量!为了解释能量释放的范围，他们假设另一个粒子(电子中微子)也被释放。通过这种方式，他们通过beta衰变过程中释放的电子的“缺失能量”间接测量了电子中微子。

在我们的实验中萨德伯里中微子天文台(SNO)，在加拿大地下2公里深(图2一个而且附录)，我们使用了类似的方法，通过中微子对一种特殊类型的水的影响来间接测量中微子重水．如你所知，普通水(H₂O)由一个氧原子(O)和两个氢原子(H)组成。氢原子的原子核中有一个质子。相反，重水(D₂O)中有一个氧原子，但有两个氘原子(D)。氘的原子核中有一个质子和一个中子(换句话说，它是一个氢原子，多了一个中子)。这使它的重量增加了10%，但它的化学性质并没有太大的改变。重水是自然存在的，每6400个水分子中就有一个是D₂O。

在我们的SNO实验中，我们在一个大容器中装满了纯重水，并测量了来自太阳的中微子与重水碰撞的影响。基本上，我们测量了中微子与重水碰撞时发生的两种反应。在第一个反应中，电子中微子与重水的氘原子相互作用。这种相互作用将原子核中的中子转变为质子和快速移动的电子，从而产生光(图2 b反应1)，我们测量了这个电子产生的光。在第二个反应中，所有三种味道的中微子(电子、μ子和tau)都与氘原子相互作用。在这种相互作用中，氘原子的原子核分裂成一个质子和一个自由运动的中子。自由中子在重水中移动，在项目的三个阶段以不同的方式被探测到。在第一阶段，中子被另一个氘原子捕获，产生与反应1 (图2 b反应2)。

所以，我们有两个中微子与重水的发光反应，我们可以用我们的光传感器来测量，叫做光电管-因此，我们可以间接测量中微子的存在。

我们花了很大的努力来确保我们测量的只是中微子的影响，而不是其他辐射源。我们必须保护我们的探测器不受来自外太空的放射性物质的影响，这就是为什么我们必须把探测器放在地下2公里左右的地方，周围是岩石(图2一个)．我们还必须确保我们没有测量来自岩石本身的放射性。具体来说，我们必须保护我们的重水区域不受铀和钍的影响，这两种放射性元素存在于岩石中。为了做到这一点，我们用超清洁的水包围了我们的重水容器，就放射性元素而言，超清洁的水比自来水清洁数十亿倍。这种干净的水从岩石中吸收了放射性产物。我们还用精心挑选的低放射性材料建造了探测器，并创造了超清洁的空气和超清洁的工人，他们洗澡，穿着无绒布的衣服。

为了测量中微子与重水相互作用时发出的光，我们在重水容器周围放置了许多光电管。创建这个实验装置是非常具有挑战性的——它既是一个重大的工程任务，也是一个复杂的物理实验。(要了解有关项目的工程方面的更多信息，请参阅附录)。

消失的中微子在哪里?

如上所述，我们的挑战是解决太阳中微子问题，由此测量到的到达地球的电子中微子的数量大约比预期的数字小三倍。实验或理论(或两者)都可能是错误的，或也许来自太阳的电子中微子改变了味道，在只或主要对电子中微子敏感的实验中逃过了检测。

在我们的实验中，我们想要检查在中微子到达地球之前，味道是否发生了变化。我们知道，在太阳的核心，只产生电子中微子(μ子和τ粒子比电子重，因此产生它们和它们相关的中微子需要比太阳中可用的更多的能量)。manbetxapp在线登录这意味着，如果来自太阳的中微子中有一些不是电子中微子，那么它们在从太阳核心到地球的过程中一定发生了变化。(中微子通过一种称为中微子振荡的量子现象，以周期性的方式改变味道。你可以阅读更多相关内容在这里)。通过将我们的探测器调整到特定的能量范围，我们可以探测到来自太阳的中微子的影响，而不是来自其他来源，如发射高能中微子的宇宙射线。在我们研究的能量下，太阳是迄今为止到达地球的中微子的主要制造者。

在探测器的一次测量中，我们观察到电子中微子与氘原子相互作用，释放出一个快速移动的自由电子，如上所述。在一次单独的测量中，我们观察到所有三种味道的中微子与氘原子相互作用，并释放出自由移动的中微子中子．换句话说，第一次测量告诉我们有多少电子中微子来自太阳，而第二次测量告诉我们总数所有来自太阳的中微子。比较两者，我们发现只有三分之一来自太阳的中微子中有一半是电子中微子。因此，三分之二的中微子改变了它们的味道，从电子中微子变成了μ子中微子或τ中微子(图3) [2，5］．我们的实验表明，电子中微子在传播过程中可以改变味道——这就是太阳中微子问题的解决方案!

作为基本粒子标准模型的一部分，最初假设中微子没有质量，并且它们以光速传播。manbetxapp在线登录中微子振荡的发现——根据爱因斯坦相对论的考虑——意味着中微子做有质量。详细解释为什么中微子在空间中改变味道这一事实意味着它们有质量，这超出了本文的范围。但是，总的来说，爱因斯坦的狭义相对论确定了这种口味的周期性变化意味着，从中微子的角度来看，时间在流逝。时间的经验意味着中微子的速度比光速慢，因此有质量。我们的实验，以及与我们共同获得诺贝尔奖的日本超级神冈实验(Super-Kamiokande experiment)所做的测量，为物理学提供了第一个证据除了标准模型。标准模型的扩展将使我们在一个非常基本的层面上对宇宙有一个更完整的了解。为了实现这一伟大成就，许多人付出了长期的努力。我深深地感谢参与这个重要项目的每一个人，我感到很幸运能参与其中。通过获得诺贝尔奖，我认为自己代表了所有让这个项目取得成功的高技能、敬业的同事。

给年轻人的建议

我在加拿大一个非常小的钢铁制造城市长大。虽然那里的人很欣赏教育的价值，但没有人会想到一个居民最终会获得诺贝尔奖。这意味着你们中的任何一个人——如果你足够努力并找到真正优秀的人一起工作——都可以在你的生命中做一些真正有意义的事情，也许还能赢得诺贝尔奖这样的奖项。

说到选择职业，我建议你选择一些你早上醒来乐意做的事情，然后尝试它们。然后，看看你擅长哪些——这就是我所做的!我相信这是一个很好的选择职业的方式。在你选择了某件事之后，就继续从事那个职业，并与你周围的人保持积极友好的关系——他们对你的成功非常重要。

在你的一生中保持好奇心也是非常重要的，因为整个世界，尤其是科学，一直在快速变化。你可能不相信，1964年我上大学的时候，学校有了第一台电脑。它又大又重，必须用起重机把它吊起来，然后从屋顶降到物理楼里!现在，你们中的许多人可能都有比早期的电脑功能更强大、体积更小的便携式电脑甚至手机。图4)．这是在我的职业生涯中科学发生了多大变化的一个例子，我认为这种惊人的速度将继续下去。因此，保持好奇心，学习新事物，适应新的进步。此外，请记住，正是你们这些年轻人最擅长使用和开发新技术，所以你们可以做出很多贡献!因此，不要犹豫，尽可能多地学习最新的技术，并努力将这些知识传授给他人，甚至是你的老同事。

额外的材料

现在没有什么能阻止他们与Art McDonald(自然视频)．

术语表

基本粒子manbetxapp在线登录：↑构成所有其他粒子的最小粒子。manbetxapp在线登录

基本粒子的标准模型manbetxapp在线登录：↑一个基本粒子的模型以及它们通过自然力相互作用的模型。manbetxapp在线登录

中微子：↑由重力和弱力相互作用的基本manbetxapp在线登录粒子。

放射性：↑核爆:由原子核破裂而产生的高能粒子的自发发射manbetxapp在线登录

中微子的味道：↑一种定义中微子类型的特征。中微子有三种不同的类型——电子中微子、μ子中微子和τ中微子。

重水：↑含有氘原子而不是氢原子的水。氘的原子核中有一个质子和一个中子，而氢原子只有一个质子。它的化学性质与氢相似。

光电管：↑光传感器，帮助我们测量中子与重水相互作用时产生的光。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

我要感谢诺亚戈夫感谢他进行了访谈，作为这篇论文的基础，感谢他共同撰写了这篇论文，感谢他提供了资料图1- - - - - -4．

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参考文献

[1]↑科廷厄姆，W. N.和格林伍德，D. 2007。粒子物理标准模型简介．纽约，纽约州:剑桥大学出版社。

[２]↑麦克唐纳，a.b. 2016。诺贝尔演讲:萨德伯里中微子天文台:太阳中微子口味变化的观察。现代物理学。88:030502。doi: 10.1103 / RevModPhys.88.030502

[3]↑Acker, A.和Pakvasa, S. 1997。三种中微子口味就足够了。理论物理。列托人。B．397:209-15。doi: 10.1016 / s0370 - 2693 (97) 00174 - 3

[4]↑哈克斯顿，W. C. 1995。太阳中微子问题。为基础。启阿斯特朗。12,54。33:459 - 503。

［5］↑艾哈迈德，Q. R.，艾伦，R. C.，安徒生，T. C.，安格林，J. D.，巴顿，J. C.，贝尔，E. W.等。2002。来自萨德伯里中微子观测站中性电流相互作用的中微子味道转化的直接证据。理论物理。启。89:011301。doi: 10.1103 / PhysRevLett.89.011301

附录

概述:萨德伯里中微子天文台实验

测量中微子及其味道的SNO实验是一项伟大的合作成果。在任何时候，都有超过150人在做这个实验，每个人负责一个特定的部分。首先，我们必须在加拿大萨德伯里的一个旧矿井里，在地下2公里处挖出一个巨大的洞。施工队不得不在洞穴的地面上钻孔，并在那里放置炸药。然后，他们不得不将所有设备抬出空洞，并引爆炸药以加深和扩大空洞。在那之后，他们必须清除爆炸造成的瓦砾。这个高34米(10层楼的高度)、宽22米的洞是用了2年半、8次爆炸才建成的。

在创建空腔之后，我们必须建立一个丙烯酸球体，可以容纳重水。这个球体由120个碎片组成，每个碎片都足够小，可以用升降机把它下放到矿井里。

接下来，我们必须在丙烯酸球周围构建一个测地线球，将光传感器放置在那里，以测量中微子与重水反应的影响。总的来说，我们在测地线球上安装了10,000个光电传感器，使用升降机。

最后，我们用1000吨纯重水(D₂水是如此纯净，以至于我们每天每吨水只有不到一次自发的放射性衰变，这比自来水纯净10亿倍。即使有如此大量的纯重水，我们也只能测量到每小时只有一个来自太阳的中微子的影响，因为中微子很少与物质相互作用。

正如你所看到的，这个项目既是一个复杂的工程任务而且一个基础物理实验。许多有技能、有奉献精神的人为了一个他们认为很重要的共同目标而合作。我们经常必须选择如何进行实验，我们通过相互详细地交流替代方案来做到这一点，直到很明显，小组更喜欢一种替代方案。幸运的是，经过良好的讨论，我们能够达成协议。通过这种学院式的合作方式，我们的实验取得了成功，因此，我们对宇宙的基本组成部分有了新的和重要的了解。