“高山”之巔：1998年那個中微子物理學的春天

1998年6月4日至9日，中微子物理學界的盛會NEUTRINO’98在日本高山（Takayama）召開，它開啟了中微子物理學的春天。在隨后的20年間，中微子振蕩實驗取得了一個又一個突破性的成果。回過頭來看，那次會議的規格之高和歷史意義之深遠，怎么說都不過分。

當年參加NEUTRINO’98會議的諾貝爾獎得主有哈佛大學的理論物理學家Sheldon Glashow和芝加哥大學的實驗物理學家James Cronin，兩人都做了35分鐘的專題報告。普林斯頓高等研究院的Frank Wilczek作了40分鐘的大會總結報告，題目是“Future prospects”，他后來于2004年榮獲了諾貝爾獎。東京大學的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）在Wilczek之后作了20分鐘的“Comments”發言，他在四年之后的2002年獲得了諾貝爾獎。加州理工學院的Barry Barish作了20分鐘的報告，探討了間接尋找暗物質的可能性，他于2017年獲得了諾貝爾獎。東京大學的梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大女王大學的Arthur McDonald分別針對大氣和太陽中微子實驗在會上作了35分鐘和20分鐘的報告，他們二人分享了2015年的諾貝爾獎。也就是說，今天來看，至少七位諾貝爾獎得主現身于1998年的中微子大會，這種場面幾乎是空前絕后的。

佛羅里達大學的理論物理學家Pierre Ramond作了大會的“Opening lecture”，他在報告中首次使用了MNS輕子混合矩陣的概念，以紀念1962年最先提出中微子味混合機制的三位日本理論家，即名古屋學派的牧二郎（Ziro Maki）、中川昌美（Masami Nakagawa）和坂田昌一（Shoichi Sakata）。后來人們通常將中微子混合矩陣稱為PMNS矩陣，其中P代表意大利理論家Bruno Pontecorvo，他是費米學派的代表人物之一，被譽為中微子物理學領域“教父”級的人物。

會議的第一天主要討論太陽中微子，東京大學的鈴木佳一郎（Yoichiro Suzuki）作了30分鐘的大會報告，介紹了超級神岡探測器發現太陽中微子失蹤的奇特現象，并宣稱中微子振蕩的真空解與實驗數據符合得最好，而這意味著對應的太陽中微子混合角最大，即45度。

會議的高潮出現在第二天上午，梶田隆章代表超級神岡合作組報告了關于大氣中微子的測量結果，在6.2s置信度的水平發現了大氣中微子振蕩現象，而且其結論是模型無關的！當時Power Point放映技術還沒有被發明，所有的報告人使用的都是透明片，梶田隆章的報告中最重要的一頁如圖所示。這一革命性的發現開啟了中微子物理學的新篇章，也預示著中微子振蕩實驗的春天已經來臨。

時任美國總統Bill Clinton在第一時間對高山中微子會議的成果做出了反應，他在1998年6月5日舉行的麻省理工學院畢業生典禮上演講時說了如下這番意味深長的話：

Just yesterday in Japan, physicists announced a discovery that tiny neutrinos have mass. Now, that may not mean much to most Americans, but it may change our most fundamental theories -- from the nature of the smallest subatomic particles to how the universe itself works, and indeed how it expands.

This discovery was made, in Japan, yes, but it had the support of the investment of the U.S. Department of Energy. This discovery calls into question the decision made in Washington a couple of years ago to disband the super-conducting supercollider, and it reaffirms the importance of the work now being done at the Fermi National Acceleration Facility in Illinois.

The larger issue is that these kinds of findings have implications that are not limited to the laboratory. They affect the whole of society --- not only our economy, but our very view of life, our understanding of our relations with others, and our place in time….

Clinton在講話中強調了基礎研究的重要性，也表達了他個人對美國政府當年放棄超導超級對撞機（SSC）項目的一絲懊悔。他的這些論述后來被超級神岡實驗室貼在自己的網站上好多年。

超級神岡大氣中微子實驗的主要研究對象是來自地球周圍大氣層的muon子中微子。宇宙線與大氣層相互作用會產生大量的帶電pion介子，后者的衰變進一步產生電子型中微子、muon子中微子及其反粒子。SK探測器是一個含有5萬噸純凈水的超大容器，其中布滿了光電倍增管，被安置在日本神岡的一個地下礦井中。能量處在GeV量級的大氣中微子進入探測器后，會與水中的原子核發生非彈性散射反應，使得反應后產生的帶電輕子（主要是電子和繆子及其反粒子）的速度超過了光在水中的速度，進而產生契侖柯夫輻射光，被光電倍增管記錄下來。這樣科學家就能夠確認來自上方大氣層、直接進入探測器的中微子數目，以及來自下方大氣層、先經過地球再進入探測器的中微子數目。由于地球的幾何對稱性，理論上預期來自上方和下方的中微子數目應該大致相等。

但是超級神岡合作組卻發現了出人意料的實驗結果：來自大氣層的電子型中微子及其反粒子具有簡單的上、下對稱性；但是從下方進入探測器的muon子中微子及其反粒子的數目卻明顯少于來自上方的相應粒子的數目。后者就是所謂的大氣中微子“反常”現象，它表明muon子中微子及其反粒子在經過地球達到探測器的途中發生了變化，其中一部分轉化成探測器看不見的tau子中微子及其反粒子。這種轉化就是中微子振蕩現象。中微子之所以能夠發生振蕩，原因在于它們具有微小的質量和顯著的混合效應，而這些性質都超越了粒子物理學標準模型的預期。因此超級神岡合作組的實驗結果震驚了整個學術界。

超級神岡實驗組的兩位核心人物是戶塚洋二（Yoji Totsuka）和梶田隆章，他們都是小柴昌俊的學生，但戶塚洋二比梶田隆章大了整整17歲。作為NEUTRINO’98會議的組委會主席，戶塚洋二在大會開幕式上致了歡迎詞。自1998