眾所周知，2015年度的諾貝爾物理學獎授予了在日本超級神岡實驗中發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩現(xiàn)象的東京大學教授梶田隆章（Takaaki Kajita）和在加拿大薩德伯里中微子觀測站（以下簡記為SNO）破解太陽中微子失蹤之謎的女王大學教授亞瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald）。
圖片來源：nobelprize.org
后者尤其引人注目，原因很簡單：自1968年雷蒙德·戴維斯（Ramond Davis）首次觀測到太陽中微子并發(fā)現(xiàn)其通量與約翰·巴考爾（John Bahcall）等理論家基于標準太陽模型所做的預言有明顯偏差開始，太陽中微子問題一直困擾著粒子物理學家和天體物理學家，直到2001年麥克唐納以令人信服的方式證明了來自太陽內部核聚變的電子型中微子部分地轉化成另外兩種對傳統(tǒng)探測技術不敏感的中微子（即μ子型和τ子型中微子），這一難題才得以最終解決。問題背后的物理本質在于中微子具有微小的靜止質量，以及不同類型的中微子可以相互轉化或振蕩。正如諾貝爾獎頒獎詞所強調的那樣，麥克唐納和梶田教授的獲獎理由是“For the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass”。那么，麥克唐納是怎樣帶領自己的團隊常年堅持在地下礦井工作，最終完成了這樣一個不起的科學實驗的呢？
亞瑟·麥克唐納（Arthur B. McDonald）
麥克唐納1943年出生于加拿大的悉尼，他在故鄉(xiāng)的達爾豪西大學讀完了自己的本科和研究生學業(yè)，之后于1969年在美國加州理工學院獲得了博士學位。特別值得令人回味的是，麥克唐納攻讀博士學位期間，研究太陽中微子問題的大師級先驅戴維斯和巴考爾也在那里工作。雖然那時麥克唐納對這兩位前輩及其科研工作一無所知，但后來他卻走上了他們所開創(chuàng)的研究之路并且登峰造極。事實上，如果沒有麥克唐納所領導的SNO合作組在2001和2002年破解了太陽中微子失蹤之謎，戴維斯本人也不太可能于2002年與小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）以及里卡爾多·賈科尼（Riccardo Giacconi）共同獲得諾貝爾獎物理學獎。分享了二分之一獎金的戴維斯和小柴教授的獲獎理由是“for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos”，換句話說，他們二人分別對太陽中微子和超新星（1987A）中微子的首次探測開啟了中微子天文學之門。
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值得一提的是，麥克唐納的父母待人和善，這在很大程度上影響了他的性格。麥克唐納相信，善于與人和睦相處，才能把生活過得更好，科研工作也是如此。所以他不僅尊重每一位學術界的同仁，而且對實驗室的清潔工都彬彬有禮。他的高情商和人格魅力后來也幫助他把SNO國際合作組的其余273位成員緊密團結在自己的周圍，為了一個共同的科學夢想而齊心合力，最終成功地解決了太陽中微子問題。即便是獲得諾貝爾獎之后，麥克唐納依然謙和低調，“當有人向我表達祝賀時，我的標準反應是，“我代表許多人謝謝您”，這是真的！”（When someone says congratulations, my standard response is,“Thank you, on behalf of a lot of people”, which is really true）。
其實SNO項目最初是由16位科學家在1984年提出來的，當時該項目的核心人物是加州大學爾灣分校的華人物理學家陳華森，因為是他最早認識到：假如用重水作為太陽中微子的探測媒介，就可以模型無關地確定來自太陽中心核聚變的電子型中微子在到達地球探測器之前是否發(fā)生了“味”轉化，即是否轉化成了對普通水或者其他探測媒介不敏感的μ子型和τ子型中微子。由于太陽中微子的典型能量一般不超過10 MeV，即便電子型中微子部分轉化為μ子型或者τ子型中微子，后者到達地球上的探測器內部后也無法觸發(fā)得以生成μ子（靜止質量102 MeV）或者τ子（靜止質量1777 MeV）的帶電流相互作用。陳華森教授的想法的獨到之處在于太陽中微子能夠與重水中的氘原子核同時發(fā)生帶電流、中性流和彈性散射反應。假如電子型中微子在從太陽中心到達太陽表面以及地球探測器的途中沒有發(fā)生任何異常，那么SNO實驗通過上述三種不同的反應過程所測得的太陽中微子通量就應該是相等的。一旦電子型中微子在旅途中部分地轉化為其他類型的中微子，那么實驗上就應該觀測到參與中性流相互作用的中微子的通量明顯大于參與彈性散射過程的中微子的通量，而后者又大于參與帶電流相互作用的中微子的通量。這一判斷的理由很簡單：帶電流相互作用只對電子型中微子敏感；而另外兩種相互作用對電子型中微子、μ子中微子和τ子中微子都敏感，雖然敏感的程度有所不同。上述探測原理不依賴于標準太陽模型的諸多不確定性，因此最終的探測結果將是模型無關、令人信服的。
氘中微子反應（圖片來源于網(wǎng)絡）
要想將陳華森提出來的探測太陽中微子的新方法付諸實驗，關鍵在于擁有足夠的重水，但重水是價格昂貴的軍用物質，不易得到。陳華森打聽到加拿大的CANDU核反應堆儲備了大量的重水，就通過喬治·尤恩（George Ewan）等加拿大同事與反應堆的管理部門取得了聯(lián)系，詢問是否可以暫借一定量的重水用作太陽中微子實驗。出乎科學家們的意料，對方很痛快地答應了，愿意免費提供給SNO項目1000噸重水，價值三億美元！1984年，SNO國際合作組召開了第一次會議，選舉尤恩和陳華森分別作為加方和美方的發(fā)言人。
陳華森（圖片來源于網(wǎng)絡）
不幸的是，陳華森于1987年因白血病醫(yī)治無效而去世，享年只有45歲。這位來自重慶的科學奇才可謂命運多舛，幼年時以難民身份進入美國，靠打工為生，在先后加州理工學院和普林斯頓大學獲得了學士和博士學位，之后一直致力于弱相互作用、原子核物理學和中微子物理學的實驗研究。倘若他不是英年早逝的話，那么日后破解太陽中微子失蹤之謎的盛譽很可能非他莫屬。
SNO實驗是在薩德伯里郊區(qū)的一個2100米深的地下礦井中進行的，其探測器的主體部分就是盛有1000噸重水的容器。當年一些當?shù)鼐用駥υ搶嶒烅椖啃膽岩蓱]，因為他們擔心重水會產生輻射。為了打消市民的不安情緒，女王大學的物理學家比爾·麥克萊錫（Bill Mclatchie）于1986年在薩德伯里市政廳做了一個面向大眾的科普報告，并在報告結束時將少量重水摻進一杯蘇格蘭威士，恭祝大家身體健康，然后一飲而盡。其實重水本身并不具有放射性，但為1000噸重水建造一個足夠大的容器卻很有挑戰(zhàn)性。最終又是陳華森想出了一個好主意，他在帶女兒參觀圣地亞哥的海底世界時受到水族館的視窗設計的啟發(fā)，建議雇用同一家公司幫助SNO合作組建造一個盛裝重水的巨大丙烯容器。
（圖片來源于網(wǎng)絡）
1987年11月7日，才華橫溢的陳華森教授不幸因病去世，這是整個SNO合作組的重大損失。于是當時身在普林斯頓的麥克唐納應邀接替合作組美方發(fā)言人的職位，從此成為SNO實驗的核心人物。兩年之后，尤恩退休，麥克唐納離開普林斯頓返回祖國，接受了空缺下來的女王大學的教授職位，開始設身處地地領導SNO實驗，立志在加拿大打造出世界頂級的地下中微子實驗室。1990年1月4日，SNO項目正式啟動。合作組的科學家和工程師面臨的第一個巨大挑戰(zhàn)就是在礦井中建造直徑12米的塑料丙烯容器。其次是在探測器中安裝9600個光電倍增管并保證它們正常工作，用以探測太陽中微子與重水反應后生成的帶電粒子所產生的切倫科夫輻射光。作為合作組的最高領導人，麥克唐納總是善于在追求完美的科學家和追求實用和時效的工程師之間找到雙方都能接受的平衡點，從而保證工程的進度并達到設備應有的設計指標和探測效率。他曾這樣說道，“如果你能在兩者之間創(chuàng)造對話的機會，你就會取得意想不到的效果。倘若我們之間的分歧是50對50，那我們最好再多花些時間討論問題之所在”（If you can create a dialogue between the two, you can make something special. And if we have a 50-50 split, we’d better talk about this longer）。
有些合作組成員為了生活方便，干脆把家搬到了薩德伯里。而包括麥克唐納在內的其他合作組成員則不得不長期通勤。從1994年到2006年這12年時間里，麥克唐納幾乎每個周末從薩德伯里飛回安大略省的金斯敦與家人團聚，周一再飛回薩德伯里。他與妻子珍妮特是高中同學，兩個人是在一次舞會上認識的，之后執(zhí)手相伴，感情篤深。如今他們的婚姻已經歷時51年，成為不朽的佳話。他們的女兒海瑟是這樣評價每周通勤的父親的，“我確信那一定很難，我知道他很疲倦。我父親不得不要求其他人也做出類似的犧牲”（I’m sure it was difficult. I know he was tired. My dad had to ask others to make similar sacrifices）。由于每次旅行都要在多倫多機場轉機，麥克唐納自己也記不清楚在一家名叫Manchu Wok的快餐店吃了多少次飯，以至于有人誤以為他本人就在那里工作呢。
當代科學界的大明星、理論物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）不僅于1998年參加了SNO觀測站的官方啟動儀式并在現(xiàn)場做了關于宇宙微波背景輻射的報告，而且于2012年乘坐輪椅進入到地下實驗室參觀。麥克唐納教授在陪同參觀的過程中這樣評價霍金教授，“他是一個精力相當充沛的人”（He is a very spirited individual）。2000年6月，第19屆國際中微子物理學與天體物理學會議（即Neutrino 2000會議）在薩德伯里召開，普林斯頓高等研究院的弦論大師愛德華·威滕（Edward Witten）應邀做了題為“輕子數(shù)與中微子質量”（Lepton number and neutrino masses）的大會開場報告。這些大理論家光顧SNO實驗室，不僅顯示出他們對實驗物理學的重視，也印證了SNO實驗本身的科學意義和重要性。
在完成了所有探測器設備安裝工作之后，SNO實驗于1999年開始取數(shù)。2001年6月18日，麥克唐納及其團隊公布了他們測量硼8型太陽中微子與重水的帶電流相互作用和彈性散射的實驗結果，在3.3σ的置信度水平提供了電子型中微子轉化成其他類型的中微子的初步證據(jù)。2002年4月21日，SNO合作組進一步公布了他們對中性流相互作用的測量結果，在5.3σ的置信度水平確認了太陽中微子的“味”轉化行為，并印證了標準太陽模型對太陽中微子總通量的預言是基本可靠的。這兩篇論文在中微子物理學史上具有里程碑的意義，標志著困擾了科學家?guī)资甑摹疤栔形⒆邮й欀i”得以破解。解釋SNO實驗測量結果的最簡單理論圖像是中微子振蕩。由于中微子具有微小的質量和較大的混合效應，從太陽中心通過核聚變產生的電子型中微子在向外傳播的過程中以一定比例轉化成了μ子型中微子和τ子型中微子，而后者由于能量太低無法在地球的探測器中觸發(fā)相應的帶電流相互作用，所以無法被戴維斯領導的實驗以及其他實驗所確認，這就造成了它們“失蹤”的假象。SNO實驗的獨特之處就在于它能夠同時測量太陽中微子與重水的三種不同相互作用，因此模型無關地確認了“失蹤”的電子型中微子其實轉化成了別的類型，但太陽中微子的總通量保持不變。
上圖取自SNO合作組2002年的論文，橫坐標為電子型中微子的通量，縱坐標為μ子型和τ子型中微子的聯(lián)合通量。圖中紅、綠、藍帶分別代表通過帶電流相互作用、彈性散射和中性流相互作用所能確定的中微子通量，它們的交匯點就是SNO實驗的測量結果。此外，圖中的黑色虛線帶代表標準太陽模型對中微子總通量的預言，與通過中性流相互作用所得到的實驗值是一致的。
SNO實驗所取得的重大科學成果首先將中微子天文學的先驅戴維斯和小柴教授送上了2002年底的諾貝爾領獎臺。接下來人們關注的焦點就是SNO實驗本身什么時候會獲得諾貝爾物理學獎，但是后者卻直到2015年才姍姍來遲，幾乎耗盡了很多等待中的SNO合作組成員的熱情。2015年11月21日，麥克唐納教授在接受凱特·柳瑙（Kate Lunau）的采訪時說，“假如你在小雞孵出之前就開始數(shù)它們會有多少個，那么你會發(fā)瘋的！我們所有的人都在繼續(xù)干我們的科研?！保↖f you start counting your chickens before they hatch, you’ll go crazy. All of us got on with doing science）。
由于時差的緣故，麥克唐納是在2015年10月6日清晨5點15分收到來自斯德哥爾摩的喜訊的。妻子珍妮特回憶道，“（這個時候來電話），你馬上會想到，誰死了？然后你會想到，你知道現(xiàn)在是什么時間嗎？”（You immediately think, “Who is died?” Then you think, “Do you know what time it is?”）。當麥克唐納聽出電話那一邊所講的英語的瑞典口音時，他知道該發(fā)生的終于發(fā)生了，接下來就是一整天沒完沒了的電話祝賀和記者采訪。
2016年，麥克唐納和他所領導的SNO合作組又獲得了基礎物理學突破獎。與他同獲這一殊榮還有梶田隆章等四位日本教授及其領導的國際合作組，以及大亞灣實驗的中方領導人王貽芳教授和美方發(fā)言人陸錦標教授。這些偉大的科學家和他們的團隊在過去近二十年的時間里先后發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩、太陽中微子振蕩、長短基線的反應堆中微子振蕩和加速器中微子振蕩，以令人信服的方式確認了中微子具有微小的靜止質量以及不同類型的中微子之間可以相互轉化的事實，從而突破了粒子物理學的標準模型，并開啟了中微子物理學、中微子天文學和中微子宇宙學的新篇章！
中國科學院高能物理研究所王貽芳研究員、美國伯克利國家實驗室陸錦標教授及大亞灣中微子實驗團隊獲2016年基礎物理學突破獎
