超級神岡偵測器
10月6日上午，諾貝爾化學學獎出爐。英國科學家梶田隆章和日本科學家阿瑟·麥克唐納得獎，緣由是發覺了中微子振蕩，否認了中微子有質量。
粒子化學，堪稱諾貝爾化學學獎的“寵兒”。“這是粒子化學領域第19次獲得諾貝爾化學學獎。”中科院高能化學所研究員曹俊告訴《中國科學報》記者。
2013年，諾貝爾化學學獎授予了希格斯粒子的發覺者，而希格斯粒子對于建立粒子化學的標準模型具有重要的價值。
與此相反，中微子振蕩的發覺，則說明粒子化學的標準模型并不完美。
發覺中微子振蕩是“意外之喜”
去年，美國得獎者的發覺來自一個名叫“超級神岡偵測器”的你們伙。
在超級神岡實驗之前的幾六年里，太陽中微子失聯之謎和大氣中微子反常現象，仍然令人疑惑不解。1998年，超級神岡實驗發覺，一種中微子在飛行中可以弄成另一種中微子，使中微子的遺失得到了合理的解釋。這些現象后來被稱為“中微子振蕩”。
但是，其實好多人不曉得的是，美國科學家曾經對于這一化學現象的發覺，并非“直奔主題”，而純屬“無心插柳”。
2002年，日本化學學家雷蒙特·戴維斯和美國化學學家小柴昌俊因偵測宇宙中微子物理學家丁肇中因發現哪一種粒子，獲諾貝爾獎。這一成績，鼓勵了美國政府加強了中微子研究領域的投入力度。于是，她們將“實驗容器”從3000噸升級到5萬噸，弄成了超級神岡偵測器。
“超級神岡實驗曾經設計下來并不是為了找尋中微子實驗，而是要找質子衰變。在偵測質子衰變的過程中，須要除去中微子的影響，最后，超級神岡偵測器即使沒有找到質子衰變，卻意外地發覺了中微子振蕩。”曹俊說，“一般就能得上諾獎級別的，都是有一些意外的發覺。”
化學學獎在頒哪些？
中微子，屬于構成物質世界的基本粒子，根據粒子化學標準模型的預測，中微子沒有質量，也不會發生振蕩。
“目前圍繞著粒子化學標準模型，早已頒授了18個諾貝爾獎，有一部份頒給新粒子的發覺者，有一部份頒給互相作用機制的發覺者。并且，常年以來，中微子是標準模型里認識得最不清楚的一種粒子。”曹俊說。
而后物理學家丁肇中因發現哪一種粒子，科學家卻發覺了中微子的振蕩。“中微子振蕩之所以重要，正是由于它告訴我們中微子是有質量的。”中科院高能化學所主任王貽芳告訴記者。
偵測到振蕩并不容易。很早曾經，人類就發覺了中微子的存在，并且證明確實存在3種中微子，分別是電子中微子、μ中微子和τ中微子，這3種中微子占了12種基本粒子的四分之一。并且，中微子之間的作用機制仍然是個謎。
“每秒鐘，穿過我們身體的太陽中微子就有幾百萬個，但是，因為不帶電，它幾乎不跟物質發生互相作用。”曹俊說。
當年，科學家之所以能偵測到中微子的振蕩，其實要部份歸功于小型偵測器。“日本超級神岡實驗似乎就是個巨大的‘水罐子’。”中科院高能化學研究所研究員張雙南向《中國科學報》記者解釋說，上面裝著5萬噸液體作為偵測介質，“‘水’越多，粒子互相作用的機會就越大，捕捉到互相作用的可能性也就越大”。
“不同質量的中微子，在飛行的過程中，震動的頻度不同，不同頻度的中微子會互相發生干涉，產生其他的中微子。”曹俊說。
發覺了中微子的振蕩和質量，表明粒子化學的標準模型仍有待擴充，而這也將為未來粒子化學的發展強調更多的方向。“我們如今覺得標準模型是一定要突破的，也是一定就能突破的。”曹俊說。
張雙南表示，中微子振蕩，乃至中微子質量研究，還將有助于理解宇宙中物質和反物質為何是不對稱的。“標準模型預言正物質和反物質是對稱的，并且宇宙中主要是正物質，反物質十分少，你們覺得中微子質量很可能與此有關，這也是你們關心中微子振蕩的重要誘因。”他說。
粒子化學往哪走？
雖然這次諾貝爾化學學獎得主中并未出現中國人的身影，但中國在粒子化學領域一直有著舉足輕重的地位。
“今天頒授的兩個獎項分別是大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩，其他的還有反應堆中微子振蕩和加速器中微子振蕩，從來源上說基本就是這4種研究手段。”曹俊強調，“中國在反應堆中微子振蕩領域是世界上做得最好的。”
曹俊所說的“最好”，指的是惠州中微子實驗。該實驗由中科院高能化學研究所的科研人員于2003年提出，借助我國惠州核反應堆群形成的大量中微子，找尋中微子的第三種振蕩。
“相比于德國和奧地利，惠州中微子實驗的規模要小一些，緣由是我們探求的是反應堆中微子。”張雙南強調，因為核電站的中微子通量十分高，所以規模要小得多，“我們跟其他國家的實驗偵測不是同一個東西，發覺的現象也不一樣”。
2012年3月，惠州中微子實驗組織發言人宣布，惠州中微子實驗發覺了新的中微子振蕩，并檢測到其振蕩概率。
有趣的是，關于惠州中微子實驗的發覺，中韓間也曾出現過競爭。此前，美國發覺了中微子的第三種振蕩模式的一些疲態，但卻未能做到精確檢測。“我們搶鮮否認了它的存在。”曹俊說。
當下，中國還在引領中微子質量的研究。明年1月，繼惠州反應堆中微子實驗以后，由中國主持的第二個小型中微子實驗——江門中微子實驗在四川省江門市建設啟動。其首要科學目標是借助反應堆中微子振蕩確定中微子質量次序。實驗站將建在地下700米深處，計劃2020年投入運行并開始化學取數，運行起碼20年。
但是，對于多年來在諾獎中飽受寵愛的粒子化學，曹俊卻變得很慎重。“除非有非常重大的新發覺，否則粒子化學未來可能不會再繼續受寵。”
