阿瑟.麦克唐纳
阿瑟·麦克唐纳（maiketangna) 科学家
| 阿瑟·麦克唐纳 | |
|---|---|
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科学家 | |
| 国籍 | 加拿大 |
| 别名 | Arthur B. McDonald |
| 职业 | 科学家 |
| 知名于 | 中微子研究 |
阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. 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。2015年获得诺贝尔物理学奖。
目录
基本信息
经历
阿瑟·麦克唐纳，出生在新斯科舍省悉尼，1964年在达尔豪西大学获物理学士、1965年获硕士学位，并于加州理工学院获物理学博士学位。1970至1982年任渥太华西北的乔克·里弗核实验室研究员。1982年至1989年在普林斯顿大学任物理学教授，后加入女王大学。目前是女王大学大学研究主席。[1]
成果
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。麦克唐纳和戸冢洋二被授予2007年富兰克林奖章。
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(Arthur B。 McDonald)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团队，他们发现了中微子在飞行过程中的转变现象。[2]
超级神冈探测器主要探测大气中微子。当一个中微子与巨型水槽中的水分子发生相撞时就会产生一个转瞬即逝的带电粒子。这一过程将产生所谓"切伦科夫光"，而这种闪光将被安装在水槽周围的探测器捕捉到。这种切伦科夫光的形态和强度能够告诉科学家们发生碰撞的中微子的类型以及它的来源。测量结果显示来自头顶上方大气中的μ中微子数量要比来自脚底下，穿越整个地球而来的中微子数量更多，这一结果表明那些穿越整个地球的μ中微子拥有足够的时间发生了某种转变
搜寻正在进行--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。
于是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。
不情愿的英雄
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?
萨德伯里微中子观测站主要观测太阳产生的中微子，太阳内部的核反应过程只会产生电子中微子。它又两种观测模式，要么只能测定电子中微子的数量，要么能够测定全部三种中微子的总信号数量，但不能进行具体的相互区分。结果显示这里测得的电子中微子数量少于预期，但中微子总数与理论预期相符。因此，在从太阳到地球的路途中，电子中微子必定发生了变化。
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。事实上，当中微子的概念最早由物理学家沃尔夫冈·泡利(Austrian Wolfgang Pauli)提出来时(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。
奇特的三"味"组合
今年的诺贝尔物理学奖授予解决了长期悬而未决的中微子之谜的几位科学家。
从1960年代开始，科学家们已经从理论上计算出了太阳维持发光的情况下其内部核反应过程中应当产生的中微子数量，然而在地球上进行测量时，却发现测得的中微子数量仅有理论计算值的1/3--也就是说2/3的中微子失踪了。它们去哪里了?
对此，并不缺乏各种各样的猜想--或许我们对于太阳中微子产量的理论计算有误?但有一种解释则认为这种现象产生的原因是中微子在传播过程中会发生改变。根据粒子物理学的标准模型，应当存在三种不同类型的中微子--电子中微子、μ中微子以及τ中微子。太阳只会产生电子中微子。而如果这些电子中微子在向地球传播的过程中转变成了μ中微子或τ中微子，那么地面上探测到了电子中微子数量缺失之谜也就可以解释了。
在地下搜寻中微子
然而对于中微子的这种转变仍然只能停留在猜想阶段，直到更加复杂的大型设施投入运行之后情况才开始有所改观。在地下深处，巨大的探测设施昼夜不停地搜寻着中微子的踪迹。之所以将探测设施建设在地下，是想要避开来自宇宙射线以及自然环境中天然放射性衰变过程的影响。但即便如此，要想从数以十亿计的干扰信号中识别出少数几个真实的中微子信号仍然是一项巨大的挑战。甚至是地下矿井中的空气以及用来作为探测器的矿物材料中含有的微量元素发生的衰变过程都会干扰实验的结果。
1996年，日本的超级神冈探测器在一座废弃锌矿矿井中建成并投入运行，其坐落在日本东京西北大约250公里。而加拿大的萨德伯里微中子观测站则建立在安大略省的一座废弃镍矿井中，于1999年开始投入运行。
这两座研究设施将共同揭开中微子震荡变化的本质，正是这项成就被授予了今年的诺贝尔物理学奖。
超级神冈探测器建立在地下1000米深处，包括一个直径40米的巨型水池，其中充填了5万吨纯水。这些水的纯度极高，以至于一束光照射进去70米后其强度才会减半，而在一般的游泳池中，这一数字仅为几米。在这个巨型水池的顶部，侧边和底部安装有超过1.1万个光探测器，它们的目的是探测，放大并测量发生在这一巨型纯水水池中的微弱闪光信号。
绝大部分的中微子会直接穿过这个水池，但非常偶尔的情况下会有一些中微子正好与水分子中的氢原子核或电子发生碰撞，而一旦发生这样的碰撞就会产生带电粒子。在这些带电粒子的周围会产生微弱的蓝色闪光。这就是所谓的"切伦科夫光"，它是粒子运动速度超过光速时才会产生的现象。但这显然不符合爱因斯坦的相对论，该理论指出，任何物体的运动速度都不能超越真空中的光速。 但在水中，光速下降到其最大速度的75%左右，因此有可能被这种带电粒子所超越。这种切伦科夫光的形态和强度能够告诉科学家们发生碰撞的中微子的类型以及它的来源。
揭开谜团
在其最初两年的运行中，超级神冈探测器大约检测到5000次中微子信号。这比先前的实验中都要多得多，但在把宇宙射线产生中微子的情况考虑在内之后，则检测数字仍然少于预期。宇宙射线粒子来自于天空的各个方向，当它们与地球大气中的分子发生碰撞时就会产生大量中微子。
超级神冈探测器捕捉到直接来自头顶大气中产生的μ中微子，以及那些那些来自脚底下方，穿越了整个地球来到日本的中微子信号。理论上说这两个方向来的中微子的数量应当是相等的--对于中微子而言，地球基本上是透明的。然而测量结果却显示来自头顶上方的μ中微子数量要比来自脚底下，穿越整个地球而来的中微子数量更多。
这一结果表明那些穿越整个地球的μ中微子拥有足够的时间发生了某种转变，而那些来自头顶上方的μ中微子则因为传播距离仅有数十公里而缺乏这样的时间条件。来自不同方向上的电子中微子数量与预期一致，那么μ中微子一定转变成了中微子的第三种形式--τ中微子。然而，超级神冈探测器是无法检测到τ中微子的。
决定性的一环最终由加拿大的萨德伯里微中子观测站补上。这台观测设施主要观测太阳产生的中微子，太阳内部的核反应过程只会产生电子中微子。在地下2公里的深处，灌满1000吨重水的储水罐中安装有9500台探测器，它们监视着这些电子中微子的行踪信号。所谓重水不同于普通的水，其组成分子中并非氢原子，而是氢的同位素氘，其原子核中多了一个中子。
额外的一颗中子增加了中微子粒子与原子核发生碰撞的几率。在一些反应中，科学家们只能测定电子中微子的数量，而在其他一些反应中，科学家们则能够测定全部三种中微子的总信号数量，但不能进行具体的相互区分。
因为科学家们知道太阳内部反应只会产生电子中微子，因此这两种测量方法应该得到相同的结果才对。因此，如果探测到的电子中微子数量要比三种中微子的数量更少，那么这就意味着电子中微子在它从太阳抵达地球的1.5亿千米路途过程中发生了某种变化。
在地球表面的每一平方厘米面积上，每一秒都有超过600亿个中微子通过，而在其最初两年的运行中，萨德伯里微中子观测站平均每天都只能探测到3次中微子信号。这一数字大约是理论上该探测器将能够捕捉到中微子信号数量的1/3。这也就是说，2/3的中微子消失了。然而，计算三种中微子总数的信号数量则与理论预期数量相吻合。于是结论便是，在从太阳到地球的路途中，电子中微子必定发生了变化。
量子世界的变化
这两项实验确认了科学家们此前的怀疑，那就是中微子可以从一种形态转变为另一种形态。这一发现启发了许多其他许多新的实验项目并促使粒子物理学家们从新的视角思考问题。
总体来说，这两项实验的结果导出了一个重要的结果，那就是中微子的这种形态变化要求其必须要具有质量，否则这种变化将无法发生。但是这样的变化究竟是从何而来?
对于这一问题的解释将需要牵涉到量子物理学。在量子世界中，粒子和波是同一种物理状态的不同方面。一个带有一定能量的粒子都可以由具有一定频率的波来描述。在量子物理学中，电子中微子，μ中微子和τ中微子都是由与其叠加的波来表现的。
当这些波的相位相同时，是无法区分不同的中微子的。但当中微子在空间传播时，相差开始出现。在传播的途中，波以不同的形式进行叠加。在任何不同位置上的叠加便决定了某一位置上何种中微子会被观测到的几率。在不同的位置上这样的几率都是不同的，或者换句话说是"震荡"的，于是中微子便表现出不同的形态。
这种古怪的行为源自中微子不同的质量。实验显示这样的质量差异极其微小。尽管从未能直接测定中微子的质量，但估算显示其质量极其微小。不过，由于中微子在宇宙中的数量极其巨大，其总质量将变得十分巨大。据估算，宇宙中所有中微子的数量加在一起几乎与整个宇宙中所有可见的恒星总质量相当。
通往新物理学之门
中微子具有质量这一事实的发现对于粒子物理学具有极重要意义。粒子物理学的标准模型在描述物质微观机制方面极其成功，在过去20年间经受住了所有实验的检验。然而这一模型要求中微子必须是没有质量的。因此这两项实验的结果代表了标准模型体系中的第一个明显裂痕。现在事实已经变得越发明朗:粒子物理的标准模型不可能是描述宇宙运行的完备理论。
而在建立超越标准模型的新理论之前，还有几个关于中微子的关键问题需要解答。中微子的质量究竟是多少?为何它们的质量如此之小?
除了目前已知的这三种形态之外，有没有可能还存在着其他形式的中微子?中微子是不是它们自身的反粒子?为何它们与其他基本粒子在性质上如此不同?今年被授予诺贝尔奖的工作为我们窥视这几乎完全隐匿的中微子世界提供了关键洞察。相关的实验仍在继续，世界各地的科学家们正忙于捕获中微子并研究它们的性质。有关中微子奥秘的新发现或许将会改变我们对于宇宙历史、结构以及未来命运的理解。[3]
轶事
诺贝尔奖委员会电话连线了今年的获奖者之一的加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳，他说:"我给了我妻子一个大大的拥抱。"在评价其所从事的太阳中微子研究时，麦克唐纳说:"这可真是讽刺。为了观测太阳，你得钻到几公里深的地下，这可真是让人意想不到。"[4]
相关影片
参考资料
- ↑ 日本两科学家分享诺贝尔物理学奖凤凰网，2015-10-06
- ↑ 日本和加拿大科学家获2015诺贝尔物理学奖新浪，2015-10-07
- ↑ 日本和加拿大科学家获2015诺贝尔物理学奖新浪，2015-10-07
- ↑ 诺贝尔物理学奖，新浪微博，2015-10-07