2015 年諾貝爾物理學獎「中微子振蕩」具體是在研究什麼？目前在國內外的進展如何？

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2015 年諾貝爾物理學獎為什麼授予「中微子振蕩」？該發現對物理學界和普通人有什麼影響？

2015 年諾貝爾物理學獎得主梶田隆章是一個怎樣的人？他為中微子研究做出了哪些貢獻？

如何通俗的理解 2015 年諾貝爾物理學獎「中微子振蕩」的原理及其帶來的改變？

我們編寫的科普書書終於終於出版了。。

《探索宇宙「隱形人」：大亞灣反應堆中微子實驗》【摘要書評試讀】

本人是國內大亞灣中微子實驗的一員民工，謝邀。

先引用一段，關於太陽中微子的：「中微子振蕩，這是啥？假設中微子這種基本粒子是一群普通青年，他們十一去遠遊，到了地方發現人只剩約1/3，人都消失啦，這就是中微子丟失之謎。後來人們發現普通青年沒丟，但變成了文藝青年和2B青年，這叫中微子振蕩」

中微子是我們物質世界的一種基本粒子，和電子、夸克等都是宇宙的基本組成單元。不過它的穿透能力很強，和普通的物質基本不會發生相互作用，比如1MeV的電子頂多穿透2mm的鋁，而相同能量的中微子則可以輕鬆的穿過整個地球。

在粒子物理中，有一個叫做「標準模型」的理論模型來描述各個基本粒子和它們之間的相互作用。標準模型對夸克、輕子和波色子的預言十分準確，特別是前幾年拿了諾獎的上帝粒子--Higgs粒子就是標準模型中預言的最後一種粒子。雖然標準模型在過去的幾十年間獲得了巨大的成功，不過它也有一些小小的瑕疵，就像19世紀末的經典物理學一樣，標準模型無法描述暗物質的存在，也無法描述暗能量是個什麼東西，不過畢竟暗物質和暗能量還沒有被正式發現，標準模型還不需要太擔心。

但是中微子振蕩則不一樣，它是目前唯一直接超出標準模型的實驗結果。在標準模型中，中微子分為三代，電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，它們的靜止質量嚴格為0，它們要遵循輕子數守恆，不能相互轉變。但是實驗上卻發現，不同代的中微子之間確是可以互相轉變的，就是所謂的中微子振蕩。這種現象要求中微子具有質量，超出了標準模型。

簡單的說，一個核反應堆如果產生了100個反電子中微子，而我們在1公里外觀測，只能看到95個，另外5個轉換成了繆子中微子和陶子中微子。

中微子振蕩的現象是上世紀60年代美國科學家戴維斯首次發現的（戴維斯是02年諾獎獲得者），他使用四氯化碳觀測太陽核聚變中釋放的電子中微子，發現數據只有理論預期的三分之一，這在當時被稱為太陽中微子之謎，科學家們不知道這些中微子去了哪裡，不過今年諾獎之一的SNO實驗在2000年左右確認，這些電子中微子也是振蕩到了另外兩種。

中微子的來源有很多，高能宇宙線和大氣層相互作用會產生中微子，太陽核聚變會產生中微子，反應堆中核燃料衰變也會，地球內部的U和Th衰變也會。這些不同來源的中微子都會發生振蕩，而今年諾獎的日本實驗SK就是發現了大氣中微子振蕩，SNO就是確認了太陽中微子振蕩。

SK下面這個圖很有意思，他們乘著小船在探測器裡面修光電倍增管。

目前中微子是粒子物理的一個熱點研究領域，很有可能是下一代物理的突破點。而我國在這個領域也處於世界前列。2007年開始建設的大亞灣中微子實驗是研究距離核反應堆2km處的中微子振蕩，在2012年3月全球首次測量到該振蕩模式。如果說SK首次測量到的是中微子第二代和第三代的振蕩，SNO確認了第一代和第二代之間的振蕩，大亞灣實驗則是首次測量到第一代和第三代之間的振蕩。不過我們並不奢望諾獎，畢竟中微子振蕩已經被確認這麼多年了。

中微字振蕩是按照正弦和餘弦的規律進行，三種振蕩的振幅已經都被測量出來，不過還有兩種頻率尚未確定清楚。這是國內外下一代中微子實驗的焦點，包括我國的江門中微子實驗，日本的HyperK實驗，美國的DUNE實驗，還有南極的PINGU實驗。如果這個頻率在未來十年能夠被測定，中微子振蕩的下一個問題就是CP破壞，也就是正反中微子的區別，這有可能能夠解釋目前宇宙中為什麼物質遠多於反物質。

我國的大亞灣實驗的一個重要意義就在於，它確認了一三振蕩的幅度足夠大，在目前的技術水平下，中微子振蕩的頻率和CP破壞都可能被測出來，所以從2012年後，世界上的中微子實驗開始不斷加速。或許我們有生之年能夠看到宇宙中反物質消失之謎。

最後一部分，關於中微子的應用。目前關於中微子的研究都是基礎科學的研究，也就是在積累對中微子性質的理解，尚未能夠應用於日常生活中，不過引用科學網曹俊老師的一段話「四百年前，丹麥科學家第谷仰望星空三十年，積累了大量的天文數據，由他的弟子總結成開普勒三定律，這是牛頓提出牛頓力學的重要依據。誰能想到，天天盯著星星看而窺得的行星運動的奧秘，幾百年後卻成為我們修造高樓大廈、橋樑、飛機、汽車、發射飛船衛星的根本？今天的科學將是明天的技術。從基礎科學研究到技術轉化需要一代代科學家們的持續努力。」

就目前而言，中微子已經成為天文學和地質學的一種探測工具，超新星爆發會施放大量的中微子，地球內部的核衰變也會施放中微子，這些中微子是研究天體物理和地質的新工具。從自然科學的歷史來看，每當科學家多出一種探測世界的手段，對應學科都會有突飛猛進的發展。引用一張圖片，侵刪

這是宋代著名超新星爆發後的遺迹--蟹狀星雲，圖中可以看到它在不同波段的不同性質，科學家會很好奇，在中微子的視角中，它會是什麼樣子呢？最後廣告一下，我們正在寫關於中微子和大亞灣實驗的科普書，希望能借著這次諾貝爾獎的風大賣特賣。

感謝邀請。

於澤源同學已經回答得很直觀，我更願意從理論方面加以補充。

在人們對中微子的基本認識里，中微子是有質量的。但為什麼中微子是有質量的呢？因為中微子可以從希格斯力學中獲得質量:

$L_{H-L} = - sumlimits_{alpha = e, mu, au} frac{y_alpha^l v}{sqrt{2}}overline{l_{alpha L}}l_{alpha R} - sumlimits_{k = 1, 2, 3} frac{y_k^ u v}{sqrt{2}} overline{ u_{kL}} u_{kR} - sumlimits_{alpha = e, mu, au} frac{y_alpha^l}{sqrt{2}}overline{l_{alpha L}}l_{alpha R}H - sumlimits_{k = 1, 2, 3} frac{y_k^ u}{sqrt{2}} overline{ u_{kL}} u_{kR}H+mathrm{H.c.}$

在上面的等式里，第二項代表了中微子的質量項，大家可以看到，它的角標並不是 $e$ , $mu$ 和 $au$ , 而是1,2,3。這裡的1,2,3 代表了中微子的質量態（質量區別），他們與中微子的味道態（種類區別） $e$ , $mu$ 和 $au$ 是不同的。這就意味著中微子的質量和種類的關係並不是等同的，同樣質量可以是不同種類，反之亦然。

（上面的拉氏量是以Dirac中微子質量來描述的。另一種描述中微子質量的理論是Majorana中微子，簡單來說即中微子和反中微子是同一粒子。在這一描述下，Majorana中微子獲得質量的過程與Dirac中微子不同。因為本人不能保證描述清楚，所以本決定不寫入答案。但確實有必要在這裡說明，感謝 @哈哈哈的指出！）

但如何證明中微子有質量呢？中微子振蕩就是中微子質量的實驗證據。這個故事要從上世紀六十年代說起。Homestake 實驗在測量太陽中微子通量的時候，只測量到了其預期的1/3。於是中微子振蕩的推測便發展起來。這裡的振蕩是指：中微子會在其運動過程中從一種味道振蕩到另一種味道。

反應堆中微子 $overline{ u}_e$ 的振蕩，能量4MeV。圖片來自 Nature Communications 6, Article number: 6935

而這一振蕩的概率為

$P_{ u_alpha ightarrow u_eta}(L,E)= sin^22 hetasin^2left(1.27cdotfrac{Delta m^2mathrm{[eV^2] Lmathrm[m]}}{Emathrm{[MeV]}} ight)$ 。

這裡的 $Delta m^2$ 代表了中微子的質量差， $heta$ 代表了中微子質量和味道的混合角（混合比例）， $L$ 代表了中微子的運動距離， $E$ 代表了中微子的能量。這也意味著：中微子必須有質量差才會振蕩，同時必須有質量才能有質量差。中微子振蕩的實驗驗證，就是對中微子擁有質量的實驗驗證。

而 Super-K 和 SNO 就是最早對中微子振蕩的實驗驗證。中微子振蕩實驗分為消失型實驗和出現型實驗，消失型實驗是指檢測到的中微子少於無振蕩情況下預期的中微子，出現型實驗是指檢測到了中微子源中不存在的中微子。Super-K 在實驗中檢測到了大氣中微子中 $u_mu$ 的消失。

Super-K 對大氣中微子的檢測。不同角度入射的中微子會運動不同的距離。
右圖是 $u_mu$ 的在不同角度入射時的通量，如果中微子沒有振蕩的話， $u_mu$ 的通量將會接近藍線。
圖片來自Phys. Lett. B436(1998) p.33

而SNO的中微子實驗是基於Super-K對太陽中微子的檢測，進一步測量來自太陽中微子的所有味道.

圖為SNO檢測到太陽中微子中各種類中微子的比例，發現 $u_mu$ 和 $u_ au$ 出現的數量剛好等於 $u_e$ 消失的數量！證明了Homestake實驗中消失的電子中微子轉變為了別的中微子。
圖片來自SNO collaboration.

至此，中微子振蕩的發現就講完了。

之後國際上的各種中微子實驗主要集中於精確測量中微子的混合角 $heta$ 和質量差 $Delta m^2$ .如今亦有非常精確的測量。包括中國大亞灣、日本神岡、韓國RENO和法國CHOOZ的反應堆中微子實驗，日本T2K和美國費米實驗室的加速器中微子實驗等等。

未來中微子實驗將著重以下幾個方面：

大亞灣在 $heta_{13}$ 測量之外的另一個巨大貢獻是發現了反應堆中微子能譜的異常：在大亞灣的能譜測量中，中微子通量小於預期，而中微子能譜在4-7MeV的範圍內超出預期。中微子實驗現在正在尋找這一異常的原因。
測量中微子的質量。
中微子的CP-violation.
檢驗是否存在惰性中微子。即不參加弱相互作用，只參加振蕩的中微子。如果發現惰性中微子。這將是人類第一次發現只參與引力相互作用的粒子。（我們組就在搞1＆4，出於我們項目的知識產權和個人隱私，我就不詳細描述了）

總之得知 Super-K 和 SNO 獲得諾獎，對我們中微子研究人員是一個非常振奮人心的消息，我導師高興地大半夜發郵件給我們（雖然我也沒睡）。

這篇回答可能太偏向理論，如果有不明白的地方希望可以探討。如果有紕漏還望指出。

感謝@於澤源從實驗的角度，尤其是我國的大亞灣開展的實驗，介紹了中微子振蕩的研究。我從本次獲獎的實驗及理論方面補充一下。Nuclear Astrophysics新兵，請大神拍磚。

頒獎詞說：

「for the discovery of neutrino
oscillations, which shows that neutrinos have mass」

簡單說，兩位獲獎者的獲獎機構，一邊是日本的Super-Kamiokande（主要捕獲大氣中微子），另一邊是加拿大的Sudbury Neutrino Observatory（主要是捕獲太陽中微子），最主要的的貢獻是確認了中微子的振蕩現象。中微子振蕩是中微子有質量的直接證據。

那為什麼要關心中微子有沒有質量？

這要從標準模型將講起。標準模型是自20世紀60年代以來理論物理最成功的理論。它隸屬量子場論的範疇，並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止，幾乎所有對強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的實驗的結果都合乎這套理論的預測。2013年的諾貝爾物理獎的希格子機制，就是標準模型的一部分。

與標準模型的成功不相稱的是，它預測中微子應該是沒有質量的。就像一百多年前，沒有經典力學很好用，直到發現「兩朵烏雲」，才推動相對論和量子力學的誕生。這樣成功的理論有明顯缺陷是要預示著物理理論必須有大的進展的。

所以確認中微子有質量，或者說，確認標準模型在中微子這裡不好使，是推動理論進展重要的一步。

這次獲獎的兩個實驗都是涉及中微子在物質中的振蕩（主要與電子發生相互作用），也就是中微子從發出到被探測到，在考慮了其他各種相互作用之外，在有一定的電子密度的環境中會讓不同中微子在傳播過程相互轉換，而且這種轉換時隨著向前傳播不斷反覆的，所以稱之為振蕩。下圖是一種反應堆中微子的振蕩。可以看到，隨著傳播距離變化，三種成分在變化。

Neutrino oscillation studies with reactors : Nature Communications : Nature Publishing Group

此類中微子捕獲實驗還有很多，其中之一就是@於澤源答案中提到的中國的大亞灣實驗。不過大亞灣主要是捕獲反應堆發射的中微子。這個實驗和獲獎的兩個探測的是不同來源的中微子，但是大亞灣測出的 $heta_{13}$ 混合角也是非常重要的工作。這個工作確認了中微子至少有三種。

除此之外，還有探測加速其中微子的LSND、MiniBooNE和NOνA 。以及探測太陽系外中微子的IceCube.

http://newscenter.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/2/2010/12/IceCube-schema.jpg

說到IceCube，就不得不提現在天體理論屆一直在等的下一個超新星爆炸，裝置都開著呢。大家經常開玩笑，這一屋子人的career就指著下一個超新星什麼時候爆呢。

說完實驗，要講講理論。

除了前面提到的太陽中微子、大氣中微子、反應堆中微子，太陽系外還有很多中微子來源，比如核塌縮超新星以及黑洞周圍的吸積盤（intersteller中黑洞周圍發光的圈），還有中子星等質量密集物質的合併後產生的吸積盤（這是廣告時間，最近就在做這個，我們組發現了一種新的中微子振蕩現象）

Interstellar Movie Trailer

這些中微子振蕩的機制主要分為三大類，一是中微在真空中的振蕩，二是在物質中（或者在有電子分布的空間中）振蕩（也就是太陽中微子問題），三是在高密度的中微子的中微子振蕩。

真空中和物質中的中微子振蕩機制以及有比較好的理論解釋，但是在高密度的中微子的中微子振蕩，也就是中微子和中微子自身的相互作用對中微子振蕩的影響，仍是研究的熱點。國內的研究，據我所知上海交大2013年成立的Center of Nuclear AstroPhysics 有這方面的研究和學術活動，而且委員會都是此領域學術大牛，國內其他機構不了解，歡迎大家補充。

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reference：（第一次在知乎答需要參考文獻的題，就不管格式了）

Neutrino oscillation

http://arxiv.org/pdf/1303.1681.pdf

主要是知乎存在一部分像我這樣懂的很少但是確實對這些感興趣的人，所以遇到回答看不懂的評論，答主不必在意！

菅原寬孝（Hiritaka Sugawara）「利用超高能中微子束流摧毀原子彈」（arXiv:hep-ph/0305062）。

阿爾佛雷德·唐（Alfred Tang）「中微子反核武器」（arXiv:0805.3991）。

作為文科生看知乎上這一類的帖子是一種什麼樣的體驗？

回答：這滿篇的字沒有一個我不認識的，但組合在一起之後我硬是一句話都看不懂。

雖然看的雲里霧裡但是我也願意看，這些個知識才真的是宇宙的奧秘

字我能看懂，公式和語句一連接起來，完全迷糊了

知識層次沒達到那種高度，看看，謝謝LZ和小夥伴們。