中微子振荡：谁先洞察到了物质效应的玄机？

1978年5月1日那一期的《物理评论D》（Physical Review D）杂志发表了一篇题为《物质中的中微子振荡》（Neutrino oscillations in matter）的论文，作者是美国卡耐基梅隆大学的著名物理学家林肯·沃芬斯坦（Lincoln Wolfenstein），当时他已经55岁了。在这篇日后成为中微子物理学经典文献之一的文章中，沃芬斯坦开门见山地指出：当讨论中微子束流在物质中传播时，必须考虑中微子与物质中的电子、质子和中子的向前相干散射效应，因为这类反应会改变中微子的真空振荡行为。他特别强调，即便中微子没有质量，它们在物质中传播时也会发生振荡，前提条件是中微子与物质的弱中性流相互作用存在非对角的项，可以将不同类型的中微子联系起来，从而导致味转化效应。

Lincoln Wolfenstein

Neutrino oscillations in matter

众所周知，电弱统一理论所预言的弱中性流过程是在1973年通过测量中微子与原子核的散射而被发现的。那之后这一新的相互作用形式成了理论和实验研究的热点课题。虽然标准的弱中性流相互作用对三种类型的中微子是一样的，但是当时实验尚未排除非标准的情况，因此对新物理孜孜以求的沃芬斯坦自然不肯放过非标准相互作用导致中微子在物质中发生振荡的可能性，毕竟那时候谁都不清楚中微子是否真的具有静止质量。

但是沃芬斯坦这篇迄今为止已经被引用4500余次的论文却存在两处令人感兴趣的玄机。首先，他在论文的致谢部分感谢了意大利实验物理学家艾米利奥·扎瓦缇尼（Emilio Zavattini）问了一个“正确的问题”（the right question）。这说明他的最初想法应该受到了扎瓦缇尼的问题的启发。科学研究就是这样，有时候一个好问题会带来一个好想法。其次，他在参考文献[8]处写道，“我感谢丹尼尔·威勒博士指出带电流相互作用项的重要性”（I am indebted to Dr. Daniel Wyler for pointing out the importance of the charged-current term）。而从正文中相应部分的讨论可以看出，中微子与物质之间通过带电流相互作用所发生的向前相干散射，才是我们今天所熟知的标准的物质效应，即可以修改中微子的真空振荡行为的效应。由此可见，沃芬斯坦这篇传世之作从最初想法到关键内容，都受到了别人的启发。

Daniel Wyler

威勒何许人也？他是沃芬斯坦的博士研究生，当时刚获得博士学位不久，后来成为瑞士苏黎世大学的教授。按照常理，学生指出了导师所研究的课题的关键之处，两人应该合作才是。但沃芬斯坦还是单独完成了这篇代表其学术生涯最高水平的论文。值得注意的是，他的四篇引用率超过500次的论文，都是一个人完成的；而与学生或同事合作的论文，则似乎都没有达到如此之高的影响力。这或许从一个侧面说明了他的科研性格。

沃芬斯坦在芝加哥大学读研究生时，他的老师中有两位诺贝尔奖得主：恩里科•费米（Enrico Fermi）和玛丽亚•哥珀特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）。而他的博士论文导师爱德华•泰勒（Edward Teller）也是一位大物理学家。沃芬斯坦的同学之中后来出了四位诺贝尔奖获得者：李政道、杨振宁、欧文•张伯伦（Owen Chamberlain）和杰克•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种追求卓越、努力证明自我的类型。虽然他最终没有获得诺贝尔奖的殊荣，但却也因为对中微子物理学和CP对称性破坏问题的重要贡献而获得了美国物理学会的樱井奖（J.J. Sakurai Prize，1992年）和俄罗斯的布鲁诺•庞缇科夫奖（Bruno Pontecorvo Prize，2006年），成为国际一流的理论物理学家。

2004年，沃芬斯坦在一篇公开发表的文章中写道，“我觉得自己从所有的学生那里学到的东西，与他们从我这里学到的东西一样多”（I think I have learned as much from all my students as they have learned from me）。这自然是导师的一种谦逊，而他的学生们也不一定都同意。比如巴里•霍斯顿（Barry Holstein）就说过，他师从沃芬斯坦学习的不仅是物理学知识，而且还是一位科学家和世界公民的风范。

从1978年到1985年，沃芬斯坦关于中微子振荡与物质效应的论文并没有引起太多的关注，直到苏联（俄罗斯）物理学家斯坦尼斯拉夫•米赫耶夫（Stanislav Mikheyev）和阿列克谢•斯米尔诺夫（Alexei Smirnov）的那篇题为《中微子在物质中振荡的共振放大效应以及太阳中微子的谱学》（Resonant amplification of neutrino oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy）的论文问世。这篇论文发表在《苏联核物理学期刊》（Soviet Journal of Nuclear Physics）上，其中着重强调了沃芬斯坦所推导出来的有效中微子混合角在物质密度或中微子能量取合适的值时，会出现共振放大效应，从而导致强烈的味转化——即一种类型的中微子在物质中明显地转化成另一种类型的中微子，尽管真空中的混合角很小。他们随后分析了太阳的物质密度从中心到表面的变化以及中微子的能谱，确认上述共振放大效应总是可以自然而然地发生。

Stanislav Mikheyev & Alexei Smirnov

平心而论，米赫耶夫和斯米尔诺夫的论文在理论层面上并没有什么了不起的地方，因为其主要解析公式都来自沃芬斯坦的结果。但为什么沃芬斯坦本人和其他美国的中微子专家们没有关注到共振放大效应可以解决自1968年以来就悬而未决的太阳中微子失踪之谜呢？这一点的确令人百思不得其解。换句话说，共振是一种普遍的物理现象，任何人都可以从沃芬斯坦的混合角方程看出共振放大的可能性，但是机会却在1985年留给了两位苏联物理学家。1986年，诺贝尔奖得主汉斯•贝蒂（Hans Bethe）等人也发表文章探讨太阳物质效应引起的中微子振荡放大效应，于是以米赫耶夫、斯米尔诺夫和沃芬斯坦三人姓氏字头命名的“MSW效应”称为中微子物理学的一个重要概念。

2001年，亚瑟•麦克唐纳（Arthur McDonald）领导的加拿大SNO合作组以令人信服的方式观测到了太阳中微子的味转化效应，从而最终揭开了太阳中微子失踪之谜的谜底。米赫耶夫和斯米尔诺夫也因此与沃芬斯坦分享了2006年度的布鲁诺•庞缇科夫奖，而且二人还在2008年获得了美国物理学会的樱井奖。

最后值得一提的是，目前几类实验所观测到的太阳中微子振荡行为主要处在真空振荡主导（pp与Be-7中微子）和物质主导（B-8中微子）的两个区域，而中间可能发生共振放大效应的区域还没有被触及。未来的太阳中微子实验将会就MSW效应开展更为全面而深入的研究。

（作者：邢志忠，中国科学院高能物理研究所）