阿瑟·麦克唐纳

在加拿大安大略省萨德伯里附近的克赖顿镍矿，罐笼下到两千米深处，巷道尽头有一个 34 米高、22 米宽的洞室。洞室中央悬着一只直径 12 米的透明亚克力球，里面装着 1000 吨重水——从加拿大的国家重水储备里借来的，价值三亿加元。九千多个光电倍增管从四面八方盯着这只球，等太阳核心里飞出来的中微子偶尔在这里撞碎一个氘核。

这就是萨德伯里中微子观测站（SNO）。阿瑟·麦克唐纳领着它从图纸走到结果：2002 年，它同时数出了太阳送来的电子中微子和全部中微子，前者只占后者的三分之一。困扰物理学三十多年的「太阳中微子问题」就此了结——太阳模型没有算错，戴维斯的实验也没有做错，是中微子在路上变了身份。

布雷顿角岛的少年

麦克唐纳 1943 年生于新斯科舍省布雷顿角岛上的小城悉尼，祖上是 18、19 世纪移居加拿大大西洋沿岸的苏格兰与法国移民。他一岁时，父亲以陆军中尉的身份开赴欧洲，参加解放荷兰的战斗，获军功十字勋章，负伤后于 1946 年回国，后来当过市议员。

他自己回忆，童年是学习、运动、家务和打工的均衡混合——包括送一条 104 户的报纸路线，「印象里几乎全是上坡，冬天尤其如此」。高中数学老师鲍勃·查夫常常在正课之外给学生加课，班上后来出了好几位数学教授。每周六晚上，他参加的青少年服务社在基督教青年会办舞会筹款，他在那里认识了后来的妻子珍妮特。

17 岁他进了哈利法克斯的达尔豪斯大学，并不知道自己想学哪一门科学。一年级的物理老师让他看到了「怎样用数学把世界的运转算得清清楚楚」，而他发现自己很会解物理题，也乐在其中。硕士阶段他测正电子在金属里的寿命，那篇讨论正电子寿命与材料缺陷关系的论文，直到获诺奖时仍是他被引用最多的论文之一。

福勒实验室里的研究生

1965 年他到了加州理工学院，导师是查理·巴恩斯，实验室是福勒领导的凯洛格辐射实验室。地下室里有一台范德格拉夫加速器，束流时间要多少有多少；他和同学用原子核去检验库仑相互作用下的同位旋对称性。

更重要的是空气里的话题。那几年，约翰·巴赫卡尔是加州理工的年轻教员，雷蒙德·戴维斯数次来访，两人正在一起设计用一大罐干洗液测量太阳中微子的实验；麦克唐纳的几个同学就在测与氯探测相关的核反应截面。戴维斯的计数与巴赫卡尔的计算对不上——只有预言的三分之一左右——这个矛盾后来有了名字，叫「太阳中微子问题」。麦克唐纳在自传里写，正是它在将近二十年后催生了萨德伯里中微子观测站。

乔克河：在原子核里找宇称破缺

1969 年拿到博士学位后，他去了加拿大原子能公司的乔克河核实验室，一年后转为正式研究员，在那里一待十三年。先是整理轻核里同位旋禁戒衰变的数据，结论是库仑作用足以解释一切，没有反常的对称破缺；随后转向原子核里的宇称破缺。

弱电统一理论里夸克之间交换中性 Z 玻色子的那一部分，只有上、下夸克能被有效检验，而且只能在原子核里、在强一百万倍的强相互作用旁边去找——办法是比较一个核反应与它的镜像，差别通常只有百万分之一。麦克唐纳在乔克河最后做的，是用高流强极化电子束产生的圆偏振伽马射线打碎氘核，看宇称破缺。合作者戴维斯·厄尔后来成了他在 SNO 上的长期搭档；而「用伽马射线打碎氘核」这件事，日后会成为 SNO 最大的敌人。

1982 年他去普林斯顿大学任正教授，与同事一起发展了用光泵铷蒸气把自旋转移给氦-3 的极化靶，把极化核的数目提高了几个数量级。这项技术后来被别人用到核物理、粒子物理，乃至医学成像上。

陈华森的重水

1984 年夏天，麦克唐纳回乔克河收尾宇称破缺实验的分析，加入了一个刚刚起步的合作组，领头的是加州大学欧文分校的陈华森和女王大学的乔治·尤恩。

陈华森的想法写在 1985 年的一篇《物理评论快报》里：重水里的氘核能与中微子发生两种不同的反应——一种只有电子中微子能引发，另一种三味中微子都能引发，而且概率相同。同时测这两个反应率，不需要任何太阳模型就能判断电子中微子有没有在路上变成别的味；第二个反应还能单独给出太阳硼-8 中微子的总通量，不管振荡是否发生。尤恩则早就在找建深地低本底实验室的地方，看中了国际镍业公司的克赖顿矿。

这个方案有一个前提：要借来 1000 吨以上的重水。重水是加拿大坎杜反应堆的慢化剂，国家有储备。到 1986 年，加拿大原子能公司已初步同意出借，国际镍业公司也初步同意提供矿井。

1987 年，陈华森因白血病去世。合作组继续照他的设想做设计、跑经费。在普林斯顿的麦克唐纳接任美方发言人，不久宾夕法尼亚大学的尤金·拜尔加入——他参加过把神冈探测器改造成太阳中微子探测器的工作。1989 年麦克唐纳转到女王大学，当年 12 月加、美、英三国的资助到位，他出任 SNO 研究所所长与国际合作组主任。那时合作组已有 14 家机构、约 70 位科学家。

两千米深处的洁净室

难点从一开始就清楚：中性流反应只放出一个中子，而任何能量超过 2.2 MeV 的伽马射线也能把氘核打成质子加中子——铀、钍衰变链里恰好就有这样的伽马射线。探测器里若有一点放射性，就会冒充中微子。

于是一切都得干净到前所未有。每个部件都先取样测放射性；整个地下实验室维持在 2000 级洁净度，建成后整台探测器上的矿尘加起来不到一克；重水里的钍含量压到每克重水 $3\times10^{-15}$ 克以下。重水上方覆盖着从液氮罐里蒸发出来的高纯氮气，并始终保持正压外流，即使矿井气压波动也不让含氡的矿井空气渗进来。最后做到的是：每吨重水每天来自铀、钍衰变链的衰变不到一次。

亚克力球由 122 块板材在井下粘成——每块都得小到能塞进矿井的罐笼。第三阶段往重水里安装 400 米长的氦-3 中子计数管时用的是一艘遥控小潜艇。麦克唐纳在诺奖演讲里讲过它的颜色：「我们的第一选择当然是黄色潜水艇」，可那层黄漆放射性太强，只好刮掉，换成乏味的绿色。

三个反应，两个数

SNO 同时看三种反应（见上方方程卡）。带电流反应只认电子中微子；中性流反应三味一视同仁；弹性散射对三味都有反应，但偏重电子中微子。比较前两个的比率，就是陈华森当年的设想。

为了把中性流信号看清楚，SNO 分三个阶段测量中子：第一阶段用纯重水，中子被氘核俘获放出 6.25 MeV 的伽马射线，效率只有 14%；第二阶段往重水里溶进约 2 吨高纯食盐，中子改被氯俘获，放出总能量约 8.6 MeV 的一串伽马射线，效率升到 40%，而且光的分布更各向同性，能与带电流事件的光锥在统计上区分开；第三阶段干脆把一组氦-3 正比计数管放进重水里直接数中子，系统误差与前两阶段完全不同。

2001 与 2002：三分之二去了哪里

SNO 1999 年开始取数。2001 年的第一篇论文只用了带电流反应，测得电子中微子通量

$$\phi_{\mathrm{CC}}(\nu_e) = 1.75 \pm 0.07\,{}^{+0.12}_{-0.11} \pm 0.05 \times 10^{6}\ \mathrm{cm^{-2}\,s^{-1}}$$

拿它与超级神冈用弹性散射测得的高精度结果对比，两者相差 3.3 个标准差——弹性散射对 μ、τ 中微子也有一点灵敏度，多出来的那部分只能来自非电子味的中微子。由此推出的硼-8 中微子总通量约为 $5.44\times10^{6}$，与太阳模型相符。

这还是借了别人的数据。2002 年，SNO 用自己的中性流反应直接测出总数：电子味分量 $1.76\times10^{6}$，μ 与 τ 两味合计 $3.41\times10^{6}$，后者不为零的显著性达 5.3 个标准差——也就是「中微子不变味」的可能性不到千万分之一。中性流测得的总通量约 $5.09\times10^{6}$，同样与太阳模型一致。

太阳是对的

加盐阶段的结果在 2004 年发表，把「不变味」的假设排除到 7 个标准差以上；第三阶段用完全独立的方法又测了一遍。2013 年三个阶段合并分析，总通量为 $5.25\times10^{6}$ 个 $/(\mathrm{cm}^2\cdot\mathrm{s})$，比太阳模型的计算还准，如今反过来被用来修正太阳模型；电子味只占其中的 0.317。

麦克唐纳在自传里说，巴赫卡尔等人对硼-8 电子中微子初始产额的计算「非常准确」，只是其中约三分之二在到达探测器之前变成了 μ 或 τ 中微子。早在戴维斯刚开始实验的时候，格里博夫与庞蒂科夫就提出过这种可能。对硼-8 中微子来说，还要加上太阳内部稠密电子造成的物质效应（MSW 效应）；它也顺带确定了第二种质量本征态比第一种重。

味能变，就意味着中微子有质量——没有质量的粒子以光速飞行，自身不经历时间，也就无所谓「振荡」。这超出了粒子物理标准模型的预言。

诺奖与之后

2015 年，麦克唐纳与用超级神冈发现大气中微子振荡的梶田隆章平分诺贝尔物理学奖；同年，他与 SNO 合作组共获基础物理学突破奖。他的诺奖演讲以一长串合作者的名字收尾——SNO 论文的作者累计两百七十多人，多数是研究生和博士后。他说，看到这么多年轻人和他们一起经历「尤里卡」时刻、之后走上各自的道路，是这个项目最让他满意的地方之一。

重水已从探测器里取出。原址正改造成 SNO+：在亚克力球里换上溶有碲的液体闪烁体，寻找无中微子双贝塔衰变——如果看到了，就说明中微子是自己的反粒子，也能给出它的绝对质量。围绕原洞室扩建出来的 SNOLAB 还在做暗物质的直接探测与超新星中微子的监测。