研究“幽灵粒子”的诺奖得主

阿瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）教授，加拿大金斯顿女王大学工程物理和天文系教授，因“发现中微子震荡，并且因此证明中微子具有质量”，与日本科学家梶田隆章共同获得2015年的诺贝尔物理学奖。 阿瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）教授因“发现中微子震荡，并且因此证明中微子具有质量”，与日本科学家梶田隆章共同获得2015年的诺贝尔物理学奖。在本文中，他详细介绍了他关于宇宙中的“幽灵粒子”中微子的研究，并分享了职业选择的心得。

他说，建议选择每天早上醒来感到开心的一些事情并进行尝试，然后看自己擅长哪些领域。

而在选择某个领域后，努力工作，保持与他人的友好关系，对于成功非常重要。

中微子：组成宇宙的幽灵粒子在粒子天体物理学领域，科学家们试图理解宇宙是如何起源的，在基础层面上是如何运作的。

利用来自天体物理源的粒子，我们在尽可能小的物质尺度上研究物理规律，并创造出数学公式，来描述基本粒子如何相互作用而构成出我们的宇宙。

我和我的同事一直在研究中微子——宇宙的基本组成部分之一。

这有助于理解宇宙自大约138亿年的大爆炸以来是如何演化的。

在本文中，我将向你介绍被称为中微子的“幽灵粒子”——它们是什么，我们如何测量它们，以及为什么我们的发现要求对测量方法进行重大改变。

在这个过程中，你将了解到我们周围最难以捉摸的东西，有时也是最重要的。

中微子：基本粒子宇宙是由什么构成的，自大爆炸以来是如何演化的，这些是我们可以问自己的一些最有趣的问题。

为了科学地回答这些问题，我们可以使用各种方法和途径。

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，研究在太空中游荡的基本粒子，特别是那些到达地球的粒子。

粒子物理学家试图理解构成物质的基本粒子以及控制这些粒子之间相互作用的力。

一般来说，我们试图发展实验方法来寻找最小的粒子，即所谓的基本粒子——不能再细分的粒子。

然后，根据我们的发现，我们建立出所谓的理论模型，即思想和方程的集合，解释物质是如何从这些基本粒子中产生的。

我们从不说我们的模型是最好的，因为每个模型都基于当前对事物的理解水平，以及仪器的灵敏度或分辨率。

随着时间的推移，仪器会变得越来越敏感，关于物质和我们所生活的宇宙的基本组成部分，我们因此会了解到很多新鲜而令人兴奋的东西。

长期以来，人们用标准模型来描述粒子和它们之间的相互作用力[1]。

根据标准模型，所有物质，包括构建我们身体的原子、我们呼吸的空气以及我们从太阳接收到的光，都由基本粒子组成的。

这些粒子是在约138亿年前的大爆炸以及随后的宇宙演化过程中产生的。

基本粒子包括电子、夸克和中微子（图1A），以及你可能听说过的其他粒子，如光子、玻色子、胶子和希格斯粒子。

本文将重点介绍中微子。

所有的基本粒子都通过四种基本力来相互作用，分别为强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力。

夸克构成了质子和中子。

质子和中子则构成了原子核，周围环绕着电子（图1B）。

图1：基本粒子。

（A）根据标准模型，宇宙创生之初产生了被称为夸克、电子和中微子的基本粒子。

夸克有几种类型，其中有上夸克（u）和下夸克（d），以及三种中微子（νx，其中ν表示中微子，x代表三种类型中的一种）。

（B）夸克是质子和中子的组成部分。

中子和质子构成了原子核，而电子围绕着原子核转。

（C）中微子有三种类型，或称味，它们能与三种基本粒子相互作用：电子、μ子和τ子。

中微子由天然放射性物质放射出来，也可以通过在被称为加速器的科学装置中的某些反应来产生。

然而，（地球上检测到的）中微子大部分来源于太阳，通过太阳内部的核聚变产生。

在核聚变中，两个原子核结合成一个更重的原子，同时释放出大量能量和包括中微子在内的粒子。

这些中微子需要2秒钟才能离开太阳，大约需要8分钟才能到达地球。

它们的数量是惊人的——据估计，在1秒内，地球表面的1平方厘米土地上，有650亿个太阳中微子穿过！中微子是一种不同寻常的基本粒子，因为它们仅通过四种基本力中的两种来与物质相互作用，即引力和弱相互作用力（弱相互作用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，它们自身的引力极小，几乎无法检测到。

至于弱相互作用力，中微子必须与其他质子、中子或电子非常靠近才能与它们相互作用。

这些特性使得中微子极难被检测到[2]。

中微子穿过一般物质，似乎它们就是透明的一样。

实际上，中微子只有在直接撞击原子核或绕核旋转的电子时才会与物质相互作用，而这种情况相当罕见，因为原子内部非常空旷。

在其他所有情况下，中微子都能够毫不受阻地穿过物质——包括每秒钟穿过我们身体的数十亿个中微子！由于中微子与我们的探测器的相互作用极其微弱，因此极其难以观察和测量它们的性质。

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