Nature年十大科学发现解读
年12月14日，Nature公布了其评选出的年十大科学发现，其中包括：冷冻电镜突破、压力导致白发的原因、南级臭氧法逐渐恢复、银河系中的快速射电暴等。这十大科学发现中，有2篇论文发表于Science杂志，其余12篇均发表在Nature杂志上。为了让广大读者更深入地了解这十大科学发现的重大意义，《中国科学基金》编辑部特邀相关领域的知名专家对其进行深入解读，以更广泛、有效地向社会公众传播科学发展前沿与最新进展，给我国广大科技工作者以更多启迪与借鉴。
1打破物质—反物质镜像对称性
T2K合作组报告，他们可能发现了轻子违反“粒子—反粒子镜像对称性”（也称为CP对称性）。轻子CP破坏可以通过中微子来寻找。中微子共有三种“味道”，由它们所对应的带电轻子（电子、缪子、陶子）决定。它们能在飞行中从一种味道变为另一种。如果CP对称性守恒，从缪子中微子到电子中微子转换的振荡概率，将与从缪子反中微子到电子反中微子转换的概率相同。在T2K实验中，中微子（或反中微子）穿过地球，飞行公里，然后被日本神冈实验室的地下探测器探测到。实验测量了缪子中微子到电子中微子转换及其反中微子转换的振荡概率，结果在95％的置信水平下排除了CP守恒。这可能是我们第一次发现宇宙中物质—反物质不对称性起源的迹象。
日本超级神冈探测器（T2K实验的远点探测器）
（图片来源：神冈实验室/东京大学宇宙线研究所）
专家点评：
曹俊中国科学院高能物理研究所研究员、副所长。从事中微子实验物理及探测技术研究。自年起参加大亚湾反应堆中微子实验，先后负责物理、软件和中心探测器，领导物理分析发现新的中微子振荡，现任大亚湾合作组共同发言人。江门中微子实验的提出者之一，任合作组副发言人。获国家自然科学一等奖等奖项。
宇宙起源于亿年前的一次大爆炸。关于宇宙起源和演化，迄今我们有许多坚实的证据和结论，但同时也有很多未解之谜，其中一个就是“物质反物质不对称性”，或者称为“反物质消失之谜”。在宇宙诞生的极早期，能量转化为物质，根据粒子物理理论，正、反物质粒子应该成对产生，是一样多的。但我们现在的宇宙中，跟正物质相比，反物质几乎可以忽略不计。一般相信，在宇宙诞生后约10-12次方秒发生了什么，导致了宇宙正反物质的不对称。年，前苏联“氢弹之父”萨哈洛夫（A.Sakharov）提出了形成宇宙正反物质不对称的三个条件：存在重子数不守恒过程、电荷对称性和电荷—宇称（CP）对称性破坏、偏离热平衡。这三个条件原则上在粒子物理标准模型中都可以得到满足，但具体发生机制还不清楚。绝大多数粒子物理过程是CP对称性守恒的。在存在三代夸克的情况下，会出现CP不守恒的情况（年诺贝尔物理学奖）。美国和日本因此建造了Babar和Belle实验装置，测量了夸克中的CP不守恒情况。CP破坏效应的大小跟三个混合角以及CP相角都有关系。实验发现夸克的三个混合角都非常小，因此，总的CP破坏效应也很小，跟解释宇宙正反物质不对称性所需要的效应相比，小了一百万倍。二十年前发现的中微子振荡现象（年诺贝尔物理学奖）带来了新的希望。中微子振荡也会带来CP不守恒，日本超级神冈实验、加拿大萨德伯里实验、中国大亚湾实验分别测出了中微子的三个混合角，都远远大于夸克中的混合角。这样，假如中微子的CP相角也很大，就可以产生大的正反物质不对称性，这个机制被称为轻子生成机制，是目前看来最自然的解释宇宙反物质消失之谜的机制。T2K实验利用日本散裂中子源的加速器产生缪中微子束流，射向公里外重达5万吨的超级神冈中微子探测器。在飞行过程中，有一小部分缪中微子会自发地转变成电子中微子，即中微子振荡。改变束流上聚焦磁铁的电流方向，可以分别产生中微子或者反中微子束流。如果CP破坏不为零，正、反中微子的振荡几率将不同，这样可以直接观测到中微子振荡引起的正反物质不对称性。年，刚投入运行的T2K实验首次观测到了缪中微子转化为电子中微子的迹象，说明中微子混合角θ13可能很大。但不幸的是，当年日本“3·11”大地震损坏了它的加速器，无法得到确定的结果。次年3月，中国大亚湾实验率先发现了跟θ13关联的第3种中微子振荡模式。年，T2K的数据量达到了年的4.6倍，也得到了θ13不为零的确定性结果。更有意思的是，T2K与大亚湾测量中微子振荡的物理原理和方法都不相同，跟反应堆中微子实验（主要是大亚湾）测得的精确的θ13值结合后，T2K在同一篇论文中首次表现出了对CP破坏的探测潜力。其后几年，T2K数次发表CP破坏的测量结果。年，T2K在Nature上发表结果，采用的数据量达到了年的20倍，其中一半是中微子数据，一半是反中微子数据。通过比较正、反中微子振荡，得到在95％的置信水平下CP不守恒，且倾向于CP相角很大。这可能是我们第一次发现宇宙中正、反物质不对称性起源的迹象。T2K实验计划运行到年，其数据量还将加倍，如果幸运的话，也许能得到CP不守恒的关键证据（即达到99.7%的置信水平）。不过，更可靠、更精确的测量需要下一代中微子实验。正在建设中的下一代中微子实验有中国的江门中微子实验（JUNO），美国的沙丘实验（DUNE）和日本的顶级神冈实验（Hyper-K）。江门中微子实验将利用从大亚湾实验积累的技术优势，主要采用反应堆中微子，主要目标是测量中微子质量顺序和精确测量三个振荡参数，不能测量CP破坏。加速器中微子实验DUNE和顶级神冈可以比较正、反中微子振荡的差异，从而测量CP破坏。在未来20年，我们应该能确定中微子CP破坏的大小，向理解宇宙起源跨出坚实的一步。
2南极臭氧层逐渐恢复
20世纪80年代中期，科学家在南极上空发现了春季大气臭氧层空洞，这揭示了人类制造的臭氧消耗物质（ODSs）对大气层的威胁。位于海拔10到20公里处的南极臭氧层空洞还会影响南半球大气环流，进而影响地表的气候。最明显的一个影响是，夏季的高速气流开始向极地移动。高速气流是行星尺度的大气环流现象，地球上有数条环绕的高速气流带。年的《蒙特利尔议定书》及其随后的修正案禁止了臭氧消耗物质的生产和使用。因此，大气中臭氧消耗物质浓度正在下降，臭氧层已经出现初步的恢复迹象。Banerjee等人的研究指出，自臭氧层开始恢复以来，空洞相关的环流效应已经停止。以前曾有人注意到这种环流效应停止的趋势，但Banerjee等人首次正式将其归因于《蒙特利尔议定书》的影响。
（a）南极Halley站观测的臭氧柱总量时间变化序列
（b）年9月10日的南极臭氧柱总量空间分布图
（图片来源：Nature
