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[交流] 【转帖】2002年诺贝尔物理奖与中国人擦肩而过

【转帖】2002年诺贝尔物理奖与中国人擦肩而过

　
2002年诺贝尔物理奖的一半授予美国的Ray-moud Davis和日本的Masatoshi Koshiba，以表彰他们分别在探测太阳中微子和大气μ中微子时，获得的超出粒子物理标准模型的结果；另一半奖金则授予美国的Ricardo Giacconi，以表彰他领导研制成世界上第一个宇宙Ｘ射线探测器，开辟了X射线天文学的研究领域，以及随后获得的许多重要成果。然而，人们可能不会想到：这项诺贝尔物理奖原本很可能大陆科学家是有份的。

　　一、R.Davis的成就

　　人们知道，核聚变是太阳能的源泉。在总结多年对太阳观测的基础上，理论上发展了一个标准的太阳模型（Standard Solar Model,SSM）。核聚变会放出电子中微子，标准的太阳模型可以预言每秒穿过地球上某一面积·立体角的不同能量的中微子数目。20世纪60年代初，R.Davis建造了一个大型探测器，把它放在南达科他州的地下矿井中。Davis等人在大容器内放入390000升的四氯化碳（C2CI4），太阳中微子Ve与37CI（氯-37）作用，产生具有放射性的氩-37（37Ar＊）。即，Ve+37CI→37Ar＊+e- 。

　　这个反应的阈能是814KeV。让大容器里的390000升的C2CI4被太阳中微子照射一段时间之后，用化学提纯的办法把37Ar＊提取出来，然后测量37Ar＊的放射性，就可测得太阳中微子的通量。理论上定义一个太阳中微子单位是每秒钟太阳中微子与1036个靶原子相互作用产生一个事例，即：
　　I SNU(Solar Neutuino Unit)=1事例(秒·36靶原子)

　　理论预言，Davis等人的探测装置可以探测到的能量大于814KeV的太阳中微子的通量。即：
　　Iv=(7.9±2.6)SNU。
　　
　　Davis等人从20世纪60年代中起一直测量到90年代中。实验测量到的太阳中微子流强的结果20年来的平均值是：
　　Iv＝(2.1±0.3) SNU。

　　可以看到，Davis的实验首先测量到太阳中微子丢失，其通量约为理论预言值的1/3，2/3太阳中微子丢失了。这就是著名的太阳中微子丢失之谜。

　　随后采用不同技术建造的日本的Kamiokande、美国的IMB、英美合作的SAGE、欧洲合作的GALLEX实验，都证实存在太阳中微子丢失。

　　由不同国家，在不同地点，采用对不同能量中微子灵敏的不同技术，都测量到太阳中微子丢失。因此，太阳中微子丢失是一个被物理学界公认的实验事实。而R. Davis则是在60年代中在世界上首先测量到太阳中微子丢失的人。

　　太阳中微子丢失的最直观的解释是因为中微子有质量，存在中微子振荡。如果在理论推导时作一点简化，则电子中微子变成μ中微子几率是：
　　P(υe→υμ)=Sin22θ*Sin(1.27Δm2·L/Eυ)
　　
　　式中θ是混合角；Δm2是不同质量中微子质量本征态质量平方之差，即Δm2＝m21－m22；L是中微子从中微子源出发到达探测器经过的距离；Eυ是中微子的能量。如果中微子没有质量，中微子的质量为零，即m1=0,m2=0，Δm2=0，SinO＝0，就不存在中微子振荡。太阳中微子从太阳产生点向地球长距离的传播中，有一部份太阳中微子变成了其他类型的中微子。但R. Davis的探测装置只对太阳中微子灵敏，对其他类型的中微子不灵敏，因此，实际测量到的是太阳中微子经振荡效应后剩下的那部份太阳中微子。因此，实验测量值就比不存在中微子振荡的理论预言值要小。

　　总结多年实验事实而发展起来的粒子物理的标准模型认为中微子没有质量，中微子的质量为零，在相互作用中轻子数守恒，中微子不会从一种类型变成另一种类型。R. Davis的实验结果表明，可能存在中微子振荡，即中微子有质量，中微子的质量不为零。这是多年来第一个超出粒子物理标准模型的实验证据。说明粒子物理标准模型需要完善与发展。R. Davis的实验结果是粒子物理发展史上一个新时代开始的标志。

　　宇宙学的实验研究表明，90%以上的宇宙质量是暗物质。由于中微子充满整个宇宙，有质量的中微子是宇宙暗物质的候选者之一，对宇宙演化理论研究具有重要意义。

二、M.Koshiba的贡献

　　20世纪70年代中期，随着中性流的发现，弱相互作用和电磁相互作用统一的理论得到了越多越多的实验证实。由于弱电统一理论的成功，人们希望把强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用统一起来，从而创立了大统一理论。大统一理论一个最重要的预言是质子会衰变。
　　M.Koshiba为了研究质子衰变，于80年代初在日本神冈建造了Kamiokande大型水切仑柯夫探测器。它是一个大的圆型水桶，直径15.6米，高16米，内装3000吨纯水，用948个光电倍增管读出信号，放于离京都约300公里的神冈町的废弃砷矿井中，离地面约825米。

　　经过几年的实验记录，没有探测到质子衰变事例，M.Koshiba质子衰变实验没有达到预期的结果。但是，M.Koshiba建造的Kamiokande大型水切仑柯夫探测装置都可以用来探测太阳中微子。太阳中微子与水分子的外层电子相互作用，把能量传递给电子，高能电子穿过水时，可以产生切仑柯夫辐射光，在Kamiokande外层的光电倍增管的墙上形成一个切仑柯夫光环，测量光环的半径即可知道切仑柯夫光的发射角，从而确定电子的能量。利用水切仑柯夫探测器探测太阳中微子还有一个好处，因为切仑柯夫光具有方向性，白天太阳中微子从一个方向射向探测器，晚上太阳中微子则从另一个方向射向探测器，因此，可以判断探测的事例确实是太阳中微子事例。

　　M.Koshiba大型水切仑柯夫探测器的第一个副产品是证实了存在太阳中微子丢失的现象。M.Koshiba大型水切仑柯夫探测器的第二个副产品是人类历史上第一次测量到了超新星爆发产生的中微子。

　　超新星爆发是质量大于8倍太阳质量的晚期恒星，由于内部核聚变过程停止了，没有核聚变能去抵抗强大的引力，产生了引力坍缩；强大的引力把这颗晚期恒星的主要由铁核组成的物质压缩，结果产生P+e-→n+υe反应，即原子外层电子与原子核的质子复合组成中子，同时放出电子中微子。这颗晚期恒星便成了密度极高的中子星。超新星爆发释放的巨大能量主要由中微子带走。超新星爆发使这颗晚期恒星的亮度瞬间增加几百万倍。因此，人的肉眼可以看到爆发的超新星。

　　值得中华民族自豪的是世界第一次记录到超新星爆发的是中国人，时间是1054年中国的宋朝，记录到的超新星是蟹状星云。此后，地球平均约100年记录到一次超新星爆发(地球上看不到宇宙中离地球太远的超新星爆发。)因此，记录超新星爆发是百年一遇的机会。有句名言：机遇只青睐有准备的人。M.Koshiba就碰上了这百年一遇的机会。

　　1987年2月23日，世界时7时35分35秒，日本的Kamiokande、美国的IMB和苏联高加索的Bak-san探测器同时探测到来自大麦哲伦星云的超新星爆发的中微子信号。这颗超新星被命名为SN1987ａ。它离地球约10万光年的距离。如果中微子有质量，某些在超新星爆发时同时出发的不同能量的中微子，由于飞行速度不同，经过10万光年长距离的马拉松赛跑式的飞行之后，到达地球的时间就不同，因此，准确测量超新星中微子的能量及到达地球的时间，就可推算出中微子质量的绝对值。

　　日本的Kamiokande记录到12个超新星中微子事例，美国的IMB记录到8个事例，苏联的Baksan记录到7个事例。日本的Kamiokande和美国的IMB公布了他们记录到的超新星中微子事例的全部数据。Kamiokande探测器记录到的中微子事例数最多，对超新星中微子事例的能量分辨率和时间分辨率最好，所以数据最有用。

　　世界上许多科学家根据Kamiokande和IMB公布的数据，推算中微子质量的绝对值。按照不同的模型，有人推算出mυe＝(3.6±1.3)eV，有人给出mυe＜5 eV，有人给出mυe＜20 eV。这主要是由于探测器质量还不够大，记录到的超新星中微子事例数还不够多，统计性不够好，不能从少量的超新星中微子事例推算出中微子质量准确的绝对值。

存在中微子振荡效应，只是表明不同类型的中微子有质量差。有质量差就是中微子有质量的证据。这次，记录到超新星爆发的中微子表明，中微子确实是有质量的，而且，由超新星爆发的中微子测量中微子质量绝对值是最好的途径。

　　虽然超新星爆发是百年一遇的机会。可是从1987年起至今，世界已有若干个国家计划建造质量为万吨级甚至百万吨级的探测器，守株待兔，等它100年，准备记录下一次超新星爆发的中微子信号，期望通过超新星中微子准确推算出电子中微子的质量值。当然，在等待超新星中微子的期间，这类巨型探测器还可以作其他项目的大量研究工作。

　　M.Koshiba是人类历史上第一次记录到超新星爆发中微子的人之一。中国由于没有建造大型水切仑柯夫探测装置，在1987年失去了探测超新星中微子的机会。M.Koshiba的第三个贡献是测量到大气中μ中微子丢失现象，证明存在μ中微子振荡。

　　为了收集到更多的太阳中微子事例和大气中微子事例，M.Koshiba领导Kamiokande合作组建造了更大的水切仑柯夫探测装置，名叫Su-per-Kamiokande或简称Super-K或超神冈探测器。它是一个直径为39米、高度为40米的圆柱型大水桶，放于神冈町地下约1公里深的废弃砷矿井中，总共装有5万吨纯水，分成两部份，外围约2米厚的水作屏蔽层，用1085个光电倍增管读出信号，以便屏蔽宇宙线打击矿坑岩石射出的中子本底；内部为有效体积，总共约有2.25万吨纯水，用11146个光电倍增管读出中微子作用事例的信号。超神冈探测装置投入运转以后，收集到更多的太阳中微子事例，进一步证实了存在太阳中微子丢失现象。

　　超神冈探测器的一个最重要的贡献是探测到大气μ中微子丢失现象。证实存在大气μ中微子振荡现象。

　　大气中的高能中微子是由于原初宇宙线中的高能质子在大气上部与大气中的原子核相互作用而产生K介子和π介子，K介子和π介子随后衰变，μ子接着衰变。因此，大气中高能中微子的成份中，μ中微子的数量应该是电子中微子数量的两倍。μ中微子与物质相互作用会产生μ子；电子中微子与物质相互作用会产生电子。

　　由于μ子的质量约为电子质量的200倍，因此，μ子穿过水切仑柯夫探测器时，会产生一个边界清楚的光环；而电子由于质量小，通过介质时，会产生电磁簇射，因此，在水切仑柯夫装置上探测到的是一个边界模糊的光环。超神冈合作组发展了一套图像重建和识别技术，可以识别是μ中微子作用事例还是电子中微子作用事例。他们发表的实验结果是：实际测量到的(υμ/υe)data与假设不存在中微子振荡时的蒙特卡罗模拟得到的(υμ/υe)MC的比值少于1。这说明大气中的υμ中微子丢失了。如果存在中微子振荡，就可以解释大气中μ中微子丢失的现象。美国的SoudanⅡ探测器也证实存在大气μ中微子丢失现象。

　　1998年6月于日本的Takayama召开的1998年世界中微子大会上，M.Koshiba公布了超神冈探测装置获得的更详细的实验结果。他们测量了：从地球天顶而下的中微子事例和从地球另一端穿过地球到达超神冈探测器的中微子事例；中微子事例随天顶角的变化；中微子事例随L/Eυ的变化，并对数据进行了拟合。结果表明μ中微子主要转变成τ中微子，振荡参数是：混合角Sin2θ＝1.0，质量平方差Δm2＝2.2×10-3eV2。

从1998年世界中微子大会后，物理学界就感到R.Ravis和M.Koshiba将会获得诺贝尔物理学奖。2002年诺贝尔奖委员会把1/2奖金授予R.Ravis和M.Koshiba共同分享，确实是众望所归。

　　三、2002年诺贝尔物理学奖与中国人擦肩而过

　　70年代末，德国在汉堡DESY建造了束流能量约为20GeV的电子——正电子对撞机PETRA。有5台探测装置工作在PETRA上，它们是CELLO、JADE、Mark-J、PLUTO和TASSO。唐孝威当时受丁肇中先生的邀请，带领一个中国小组参加丁肇中先生领导的Mark-J国际合作组工作。而M.Koshiba则参加JADE国际合作组工作。唐孝威在德国汉堡的DESY认识了M.Koshiba。唐孝威对Mark-J探测装置提出过某些改进方案，在高能电子—正电子对撞时产生三喷注而证明胶子存在的实验中作出了贡献，他还考虑从德国回国后要在中国建立粒子物理实验基地，开展粒子物理实验研究。经过大量的调查研究，他认为质子衰变实验是世界一流的重要实验。刚好Koshiba也对质子衰变实验十分感兴趣。两人就在德国汉堡的DESY讨论了实验方案。

　　质子衰变是粒子物理大统一理论(把强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用统一起来的理论)所预言的。大统一理论认为强子数不守恒，轻子数也不守恒，质子可以产生衰变。其理论预言：质子衰变的寿命为1032±2年。

　　要探测质子衰变，必须满足以下两个条件。一是，探测器本身必须质量很大，以便包含足够数量的核子。例如1000吨水含有6×1032个核子，如果质子衰变寿命为1032年，采用1000吨水作为探测器，假设探测效率为100%，那么1000吨水的探测器每年可以探测到6个质子衰变事例。因为质子衰变最大的几率是产生π0和e+，π0随后衰变为2γ，所以质子衰变最终产物是两个高能γ射线加上1个高能正电子。正电子和γ射线穿过水时会产生切仑柯夫光。如果在探测器外层布置1层光电倍增管，光电倍增管会记录到1个切仑柯夫光的圆环。由测量圆环的半径就可知道切仑柯夫光发射的夹角，从而定出正电子或γ射线的能量。质子的质量约为1GeV，所以质子衰变产物的总能量应该等于质子的质量，约为1GeV。二是，为了减低宇宙线粒子穿过探测器时造成的本底，探测器必须放在地下，由探测器头顶上的岩石把宇宙线粒子吸收掉，使探测器在本底极低的条件下，寻找是否有质子衰变的稀有事例。

　　唐孝威于1979年9月回国，与此同时，Koshiba也回到了日本。此后两人经过多次通信联系，建议中日两国共同建造大型水切仑柯夫探测装置，内装约3000吨到5000吨纯水。按乐观的理论预言，每年可以探测到10个到30个质子衰变事例。

　　由于日本是一个多地震的岛国，没有高山，日本人引以自豪的富士山只有3200米高；而在中国西部，几千米高的群山到处都是。因此，共同建议唐孝威负责在中国西部寻找合适的山洞。中国负责深洞实验室的建设，配备水电运行条件，负责提供3000吨到5000吨纯水；而日本主要负责用于切仑柯夫光信号读出的约1000个光电倍增管及相关的电子学设备，实验在中国进行。中方经费由唐孝威向中国政府申请，日方经费由M.Koshiba向日本政府申请。Koshiba还请唐孝威在他向日本文部省申请经费时写推荐信。

　　建造大型水切仑柯夫探测装置的实验方案初步确定之后，唐孝威便向当时的高能物理所张文裕所长作了汇报。张文裕所长是国际知名粒子物理学家和宇宙线实验物理学家。他认为建造大型水切仑柯夫探测装置进行质子衰变实验是当时世界一流的重要实验。如果探测到质子衰变事例，便是粒子物理发展史上的一个重大成果；如果探测不到质子衰变，这个大型水切仑柯夫探测器用于宇宙线研究，也肯定会有许多副产品，所以，张文裕所长对唐孝威和Koshiba初步商定的方案表示大力支持。

　　由于高能物理所没有足够的经费支持建造大型水切仑柯夫探测装置，于是唐孝威向中国科学院写了专门的报告，争取科学院的支持，进行立项。按当时中国的科研经费，科学院完全有能力支持这一中日合作建造大型水切仑柯夫探测装置的建议。

　　在张文裕所长的大力支持下，唐孝威带了两个年青人亲自到西部山区及四川铁路沿线寻找合适的山洞，初步找到了几个候选地点。唐孝威从四川找山洞回到北京后，得到的答复是科学院不支持。在得到科学院不支持的答复之后，唐孝威只好给M.Koshiba写信，表示遗憾与歉意，表明因为得不到经费支持，合作计划只好作罢。

　　由于当时中国科学院有关领导不支持中日合作在中国建造大型水切仑柯夫探测装置，中国科学家无法参加这一计划。这也给M.Koshiba增加了困难。首先，本来中日双方共同分担的经费现在要由日方自己单独承担，增加了M.Koshiba向日本文部省申请经费的难度；此外，日本没有高山，Koshiba只好在神冈町找到1个废弃的砷(砒霜)矿井，Kamiokande实验就在废弃的砒霜矿井中进行。后来，有个美国科学家参观Kamiokande实验后私下说：像这样的废弃砒霜矿井，按美国的环保标准，被认为是污染严重超标，是不许人进入的。

　　如果从1979年M.Koshiba与唐孝威共同讨论实验方案开始到1998年他在世界中微子大会上宣布存在大气μ中微子振荡实验结果止，Koshiba带领他的研究组经过20年的奋斗，虽然没有探测到大统一理论预言的质子衰变事例，可是他却得到三大成果——证实太阳中微子丢失，探测到超新星爆发的中微子，探测到大气μ中微子振荡现象；并给出了中微子振荡的相关参数的可能值，从而获得了2002年诺贝尔物理学奖。

　　我们可以从2002年诺贝尔物理学奖得到什么启示呢? 如果当时的中国科学院的有关领导能有远见地支持中日合作在中国建造大型水切仑柯夫探测装置，实验在中国进行，并且，中国人能够从1979年奋斗到现在，那么中国人就有可能问鼎2002年诺贝尔物理学奖。这一事件表明中国人是有潜力在中国的土地上获得诺贝尔奖的。

　　诺贝尔奖是可遇不可求的。中国人有好的物理思想、好的实验方案、好的高山深洞地理条件，但由于得不到相应的领导支持，从而失去了一次获得诺贝尔奖的机会。机会已失，时不再来了。

　　最近几年，有一些科技部门的领导者和科学史学家提出并思考一个问题：从1949年新中国成立以来，50多年过去了，为什么在中国的土地上没有人获得诺贝尔奖?笔者在此把1979年发生的唐孝威与M.Koshiba讨论中日合作在中国建造大型水切仑柯夫探测装置的故事写出来，是希望有关科技部门的领导者、决策者和科学史学家可以从中得到他们各自的启示，不要再决策失误，这样才可能争取10年到20年左右，有中国人在中国大陆的土地上获得诺贝尔奖。

　　（何景棠　中国科学院高能物理研究所　北京）

[ Last edited by imrking on 2005-12-19 at 16:11 ]

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