诺贝尔物理学奖获得者Arthur B. McDonald做客国科大

  • 文/孙月茹 孙泽同 图/杨天鹏 (国科大记者团 高能物理所)
  • 创建于 2017-05-19
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  “SNOlab (SNO即Sudbury Neutrino Observatory,萨德伯里中微子观测站)目前正在做暗物质的测量,但是您展示的内容都是和WIMP有关的,那么SNOlab是在测量WIMP 还是dark matter 呢?”5月16日晚,在中国科学院大学雁栖湖校区国际会议中心报告厅,当2015年诺贝尔物理学奖获得者阿瑟•麦克唐纳教授的讲座结束后,2014级本科生陈俞嬖第一个提问了自己的问题。麦克唐纳教授是国科大物理科学学院高端学术论坛——物理学大师论坛本学期第一位嘉宾。

  “这个提问很不错。我们只是在寻找暗物质的某一种可能性粒子,其他的可能粒子比如axion,测量原理与WIMP迥异;暗物质有很多猜测,也有很多实验正在进行中,然而WIMP正好契合了SNOlab现有的条件,因此我们集中精力在WIMP实验上,并且会将实验结果与我们的理论期望比较。”麦克唐纳教授首先鼓励了提问者。

 

  2015年,诺贝尔物理学奖颁给了日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),获奖理由是他们发现了中微子振荡现象,证实了中微子有质量。解决了困扰了物理学家几十年的中微子之谜,开启了粒子物理学研究的崭新篇章。

  5月16日晚6点半,麦克唐纳教授应邀,为国科大学子讲述中微子物理学的研究现状,回顾他所领导的SNO(Sudbury Neutrino Observatory,萨德伯里中微子观测站)国际合作组的重大科学发现并展望其未来发展前景。讲座由物理科学学院副院长、理论物理研究所副所长陈晓松教授主持。

陈晓松教授主持讲座

  阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald),加拿大物理学家,萨德伯里中微子天文台研究所主任。1943年出生于加拿大悉尼,1969年从美国加州理工大学获得博士学位。现为加拿大女王大学名誉教授,并担任女王大学戈登和帕特里夏灰色粒子天体物理主席。因发现中微子振荡现象获得2015年度诺贝尔物理学奖和2016年度基础物理学突破奖。

  当年麦克唐纳接到诺贝尔奖委员会的电话之后,他转身给了身边的妻子一个大大的拥抱。而此次国科大之行,麦克唐纳携其夫人一同前来,还撒了一路狗粮。在正式上台作报告前,他先向妻子献上了一个深情的吻。

阿瑟·麦克唐纳携妻子做客国科大

  许多年来,中微子一直是许多物理学家潜心研究的问题。报告一开始,麦克唐纳回顾了一些物理学家在中微子问题上的探索:1968年,美国科学家戴维斯通过四氯乙烯探测器捕获中微子,发现了太阳中微子的失踪现象,获得了2002年诺贝尔奖。一些物理学家猜测,太阳中微子失踪的原因可能是,在从太阳到达地球的过程中,电子中微子发生了味道振荡,变成了μ子型和τ子型中微子,即产生于太阳的电子中微子有三分之二在到达地球的过程中变成了无法被当时实验检测到的其他类型的中微子,因此未被检测到。1984年,华人物理学家陈华森(Herbert Chen)提出用重水检测中微子的探测器方案:太阳中微子能够与重水中的氘原子核同时发生带电流和中性流反应,并与重水中的电子发生弹性散射反应。故SNO实验用重水作为太阳中微子的探测媒介,可以模型无关地确定来自太阳中心核聚变的电子型中微子在到达地球探测器之前是否转化成了对普通水或者其他探测媒介不敏感的μ子型和τ子型中微子。陈华森教授的这一想法为SNO提供了最早的设计理论。

  麦克唐纳教授介绍,SNO实验是在萨德伯里郊区的一个两千米深的地下矿井中进行的,这也是世界上第二深的地下探测试验。其探测器的主体部分就是盛有1000吨重水,直径12米的有机玻璃容器;在探测器中安装9600个光电倍增管并保证它们正常工作。SNO实验中探测中性流反应产生的中子是通过重水中氘的俘获,它会发出6.25MeV的γ射线;或者通过增加0.2%的盐到重水中,这会导致氯中的中子俘获和发出8.6MeV的γ射线;或者通过3H 比例计数器来直接对中子计数。SNO实验于1999年开始取数,经过计算机模拟与实验数据分析,麦克唐纳及其团队先后公布了他们测量8B 型太阳中微子与重水的带电流相互作用和弹性散射的实验结果,以及对中性流相互作用的测量结果,以相当高的置信度水平确认了太阳中微子的“味”转化行为,并印证了标准太阳模型对太阳中微子总通量的预言是基本可靠的。这在中微子物理学史上具有里程碑的意义,标志着困扰了科学家几十年的“太阳中微子失踪之谜”得以破解。而解释SNO实验测量结果的最简单理论图像就是中微子振荡。SNO实验以模型无关地方式确认了“失踪”的电子型中微子其实转化成了别的类型,但太阳中微子的总通量保持不变。正如2015年诺贝尔物理学奖颁奖词所强调的那样,麦克唐纳和梶田隆章教授的获奖是由于在中微子振荡方面重要发现,这也同时证明了中微子有质量。

国科大2014级本科生陈俞嬖向麦克唐纳教授提问。讲座全程为英文交流。

  麦克唐纳教授还提到了目前中微子研究中尚待解决的问题,比如中微子质量顺序、Majorana型中微子、中微子绝对质量以及CP破坏角等问题。而中国即将开始的江门中微子实验(JUNO)则极有可能率先解决中微子质量顺序问题;另外,中国的大亚湾实验已经率先测得中微子混合角θ13。麦克唐纳教授,梶田隆章教授以及大亚湾实验的中方领导人王贻芳教授和美方发言人陆锦标教授,于2016年因在中微子方面的研究一同获得了基础物理学突破奖。

  麦克唐纳教授随后介绍了对于今后SNO实验的发展。目前,在中微子探测方面,SNOLab正在或已经发展了SNO+、HALO项目,其中SNO+致力于寻找无中微子β衰变过程,这与Majorana中微子密切相关,HALO则致力于超新星中微子的研究。另外还有DEAP,PICO,DAMIC,SuperCDMS,NEWS等项目,这些与暗物质的直接探测密切相关。这些实验项目均在地下2km的实验室中进行,这也满足了暗物质探测对宇宙线本底事例屏蔽的要求。最后,麦克唐纳教授讲解了暗物质探测方面的知识,涉及理论模型(WIMPs),探测预期等,可以看到,SNOLab的一系列实验对于当今令人费解的暗物质之谜有相当大的贡献,我们非常期待日后SNOLab在此方面的进展。

  报告最后,国科大研一学生王晨晨向麦克唐纳提问:“作为诺奖获得者,您对我们这些从事科学研究的年轻一代有什么建议?”麦克唐纳回答:“首先,科学很有意思,从事科学研究是一件很享受的事情。你早上进了实验室,却永远不会知道在这一天的研究中你会学到什么,从这一点来讲,科学是很有趣的。另外,你还可以和实验室的同事们一起工作。最奇妙的是还会有人付钱让你来做这些你热爱的事。”他鼓励物理学子以及其他学科专业的学生要重视自己所学的课程,因为学校的课程和实验室的实验一样重要,只有学好了基础的知识,才能把实验做好。“好好利用你们作为学生的时间吧,”麦克唐纳说,“利用这段时间多学一些专业知识。”

  报告结束后,物理科学学院学生为麦克唐纳献上了一束鲜花,但他将这束鲜花送给了他的夫人。他说:“在科学事业上,团队合作对于科学团队来说是非常重要的,但对我来说,团队合作对我50年的婚姻也十分重要。我和我的妻子去年庆祝了50周年结婚纪念,我们有4个孩子,8个孙子,我觉得这束花可以作为我们俩团队合作的象征!”没想到这位诺奖大师在报告结束时还给我们送上了这么真挚感人的彩蛋,同学们表示这“诺奖”级的狗粮,我们吃下了!

讲座结束后,陈俞嬖与麦克唐纳教授进行交流

责任编辑:于洋