中微子振蕩：誰先洞察到了物質效應的玄機？

1978年5月1日那一期的《物理評論D》（Physical Review D）雜誌發表了一篇題為「物質中的中微子振蕩」（Neutrino oscillations in matter）的論文，作者是美國卡耐基梅隆大學的著名物理學家林肯·沃芬斯坦（Lincoln Wolfenstein），當時他已經55歲了。在這篇日後成為中微子物理學經典文獻之一的文章中，沃芬斯坦開門見山地指出：當討論中微子束流在物質中傳播時，必須考慮中微子與物質中的電子、質子和中子的向前相干散射效應，因為這類反應會改變中微子的真空振蕩行為。他特彆強調，即便中微子沒有質量，它們在物質中傳播時也會發生振蕩，前提條件是中微子與物質的弱中性流相互作用存在非對角的項，可以將不同類型的中微子聯繫起來，從而導致味轉化效應。

眾所周知，電弱統一理論所預言的弱中性流過程是在1973年通過測量中微子與原子核的散射而被發現的。那之後這一新的相互作用形式成了理論和實驗研究的熱點課題。雖然標準的弱中性流相互作用對三種類型的中微子是一樣的，但是當時實驗尚未排除非標準的情況，因此對新物理孜孜以求的沃芬斯坦自然不肯放過非標準相互作用導致中微子在物質中發生振蕩的可能性，畢竟那時候誰都不清楚中微子是否真的具有靜止質量。但是沃芬斯坦這篇迄今為止已經被引用4500餘次的論文卻有兩處令人感興趣的玄機。

首先，他在論文的致謝部分感謝了義大利實驗物理學家艾米利奧·扎瓦緹尼（Emilio Zavattini）問了一個「正確的問題」（the right question）。這說明他的最初想法應該受到了扎瓦緹尼的問題的啟發。科學研究就是這樣，有時候一個好問題會帶來一個好想法。其次，他在參考文獻[8]處寫道，「我感謝丹尼爾·威勒博士指出帶電流相互作用項的重要性」（I am indebted to Dr. Daniel Wyler for pointing out the importance of the charged-current term）。從正文中的相關討論可以看出，中微子與物質之間通過帶電流相互作用所發生的向前相干散射，才是我們今天所熟知的標準的物質效應，即可以修改中微子的真空振蕩行為的效應。由此可見，沃芬斯坦這篇傳世之作從最初想法到關鍵內容，都受到了別人的啟發。

沃芬斯坦所提到的威勒，其實是他自己的博士研究生，當時剛獲得博士學位不久，後來成為瑞士蘇黎世大學的教授。按照常理，學生指出了導師所研究的課題的關鍵之處，兩人應該合作才是，但沃芬斯坦還是單獨完成了這篇代表其學術生涯最高水平的論文。值得注意的是，他的四篇引用率超過500次的論文都是一個人完成的，而與學生或同事合作的論文，則似乎都沒有達到如此之高的影響力。這或許從一個側面說明了他的科研性格。

沃芬斯坦在芝加哥大學讀研究生時，他的老師中有兩位諾貝爾獎得主：恩里科·費米（Enrico Fermi）和瑪麗亞·哥珀特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）。而他的博士論文導師愛德華·泰勒（Edward Teller）也是一位大物理學家。沃芬斯坦的同學之中後來出了四位諾貝爾獎獲得者：李政道、楊振寧、歐文·張伯倫（Owen Chamberlain）和傑克·斯坦伯格（Jack Steinberger）。可想而知，沃芬斯坦在科研的道路上一定是那種追求卓越、努力證明自我的類型。雖然他最終沒有獲得諾貝爾獎的殊榮，但他因為對中微子物理學和CP對稱性破壞問題的重要貢獻而獲得了美國物理學會的櫻井獎（J.J. Sakurai Prize，1992年）和俄羅斯的布魯諾·龐緹科夫獎（Bruno Pontecorvo Prize，2006年），成為國際一流的理論物理學家。

2004年，沃芬斯坦在一篇公開發表的文章中寫道，「我覺得自己從所有的學生那裡學到的東西，與他們從我這裡學到的東西一樣多」（I think I have learned as much from all my students as they have learned from me）。這自然是導師的一種謙遜，而他的學生就不一定這樣看，比如巴里·霍斯頓（Barry Holstein）就說過，師從沃芬斯坦學習的不僅是物理學知識，而且還是一位科學家和世界公民的風範。

從1978年到1985年，沃芬斯坦關於中微子振蕩與物質效應的論文並沒有引起太多的關注，直到蘇聯（俄羅斯）物理學家斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫（Stanislav Mikheyev）和阿列克謝·斯米爾諾夫（Alexei Smirnov）的那篇題為「中微子在物質中振蕩的共振放大效應以及太陽中微子的譜學」（Resonant amplification of neutrino oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy）的論文問世才出現轉機。這篇論文發表在《蘇聯核物理學期刊》（Soviet Journal of Nuclear Physics）上，其中著重強調了沃芬斯坦所推導出來的有效中微子混合角在物質密度或中微子能量取合適的值時，會出現共振放大效應，從而導致強烈的味轉化----即一種類型的中微子在物質中明顯地轉化成另一種類型的中微子，儘管真空中的混合角很小。他們隨後分析了太陽的物質密度從中心到表面的變化以及中微子的能譜，確認上述共振放大效應總是可以自然而然地發生。

平心而論，米赫耶夫和斯米爾諾夫的論文在理論層面上並沒有什麼了不起的地方，因為其主要解析公式都來自沃芬斯坦的結果。但為什麼沃芬斯坦本人和其他美國的中微子專家們沒有關注到共振放大效應可以解決自1968年以來就懸而未決的太陽中微子失蹤之謎呢？這一點的確令人百思不得其解。換句話說，共振是一種普遍的物理現象，任何人都可以從沃芬斯坦的混合角方程看出共振放大的可能性，但是機會卻在1985年留給了兩位蘇聯物理學家。1986年，諾貝爾獎得主漢斯·貝蒂（Hans Bethe）等人也發表文章探討太陽物質效應引起的中微子振蕩放大效應，於是以米赫耶夫、斯米爾諾夫和沃芬斯坦三人姓氏命名的「MSW效應」成為中微子物理學的一個重要概念。

2001年，亞瑟·麥克唐納（Arthur McDonald）領導的加拿大SNO合作組以令人信服的方式觀測到了太陽中微子的味轉化效應，從而最終揭開了太陽中微子失蹤之謎的謎底。米赫耶夫和斯米爾諾夫也因此與沃芬斯坦分享了2006年度的布魯諾·龐緹科夫獎，而且二人還在2008年獲得了美國物理學會的櫻井獎。

最後值得一提的是，目前幾類實驗所觀測到的太陽中微子振蕩行為主要處在真空振蕩主導（pp與Be-7中微子）和物質主導（B-8中微子）的兩個區域，而中間可能發生共振放大效應的區域還沒有被觸及。未來的太陽中微子實驗將會就MSW效應開展更為全面而深入的研究。?

本文已發表在高能所微信公共號。下圖是我老人家今天下午將在上海交大李政道研究所作報告的PPT之一（1994年訪問蘇黎世大學與威勒教授合影）。

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