亚瑟·B·麦克唐纳：深入地下两公里的物理学家

在安大略省地表以下两公里处，在一座位于萨德伯里附近的活跃镍矿内，亚瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）花了十多年时间运行一项实验，该实验需要屏蔽地球表面几乎所有的粒子，以便捕捉从太阳倾泻而下的中微子。当2001年实验数据最终出炉时，他称这是他的“尤里卡时刻”：中微子，即物理学家曾经假定为无质量的幽灵粒子，在飞行过程中会改变身份——这证明了它们确实具有质量。

从悉尼、新斯科舍省到加州理工学院

亚瑟·布鲁斯·麦克唐纳（Arthur Bruce McDonald）于1943年8月29日出生于新斯科舍省的悉尼，他早期的教育都在家乡附近完成，分别于1964年和1965年在达尔豪斯大学（Dalhousie University）获得了物理学学士学位和硕士学位。随后，他跨越整个大陆前往加州理工学院（California Institute of Technology）攻读研究生，并于1969年在导师查尔斯·A·巴恩斯（Charles A. Barnes）的指导下完成了核物理学博士学位。他的论文研究了氧-17、氟-17和钠-21中特定核态的激发能量和衰变性质——这些技术性、枯燥的工作是一位年轻的核物理学家在发现定义其职业生涯的成果之前所必需的积淀。

从乔克河到普林斯顿

麦克唐纳的早期职业生涯主要是在加拿大的核研究机构度过的，他于1969年至1982年间在乔克河核实验室（Chalk River Nuclear Laboratories）担任研究官，参与了该国反应堆和粒子物理学的旗舰项目。随后，他于1982年至1989年间在普林斯顿大学（Princeton University）担任教授，之后于1989年回到加拿大，加入金斯敦安大略省的女王大学（Queen's University）——同年，他成为了一项新的、雄心勃勃的实验项目的创始主任，该项目正是在地下两公里的活跃矿井中建造。

建造萨德伯里中微子观测站

萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，简称SNO）建在克雷顿（Creighton）镍矿内，正是因为其巨大的岩层深度可以保护极度灵敏的探测器免受淹没地球表面的宇宙射线背景影响。其核心是1000吨重水，选择重水是因为它可以探测所有三种“味”的中微子，而不仅仅是一种。麦克唐纳领导了国际SNO合作项目，完成了项目的建设，并从1998年运营开始，进行了多年艰苦的数据收集，旨在解决一个几十年来悬而未决的谜题——太阳中微子问题：地球上的探测器始终只能发现太阳物理学预测太阳应该产生的中微子数量的三分之一。2001年8月，SNO的实验结果揭示了原因——丢失的中微子并没有消失，它们在从太阳核心到安大略省矿井的旅程中改变了“味”，从电子中微子震荡成了μ中微子和τ中微子。这种震荡只有在中微子拥有微小但非零的质量时才能发生，这与粒子物理标准模型中的初始假设相悖。

跨越太平洋共享的诺贝尔奖

2015年诺贝尔物理学奖共同授予了麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita），后者的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）实验通过大气中微子而非太阳中微子，独立发现了中微子震荡的证据。颁奖词表彰了两人“发现中微子震荡，该发现表明中微子具有质量”——这一发现被诺贝尔委员会和更广泛的物理学界视为标准模型的第一个确凿裂痕，该框架在过去几十年里以惊人的精度预测了粒子行为。麦克唐纳随后获得了一系列相关荣誉：2007年的本杰明·富兰克林物理学奖章、2009年当选皇家学会院士、2010年的基拉姆自然科学奖、2011年的亨利·马歇尔·托里奖章、2013年的朱塞佩和凡娜·科科尼粒子天体物理学奖、2015年被任命为加拿大勋章同伴，以及与SNO和超级神冈团队共享的数百万美元的基础物理学突破奖。2016年，一颗小行星“229781 Arthurmcdonald”以他的名字命名。

SNOLAB、暗物质与大流行期间的参与

麦克唐纳为SNO建造的地下设施在中微子实验结束后并没有关闭；它被扩建为SNOLAB，这是世界上最深、最洁净的地下科学实验室之一。作为女王大学的荣誉教授，麦克唐纳在那里继续对中微子物理学和暗物质搜寻进行研究。他的技能在粒子物理学之外也证明是有用的：在COVID-19大流行期间，麦克唐纳帮助领导了米兰机械呼吸机（Mechanical Ventilator Milano）背后的工程工作，这是一种开源、可大规模生产的呼吸机设计，在医院面临设备短缺时，这项工作获得了加拿大总理贾斯汀·特鲁多（Justin Trudeau）的公开支持。

为什么亚瑟被称为天才

麦克唐纳的天才之处与其说是一次理论灵感的闪现，不如说是为了回答自然界隐藏得如此之好的问题所必需的持续、近乎顽固的工程和组织纪律。中微子与普通物质的相互作用极其微弱，以至于每秒有数万亿个中微子穿过人体而毫无影响；为了清晰地探测到这一小部分相互作用，并区分出不同的“味”，需要建造并运行人类历史上最隔离、校准最精确的仪器之一，且要在地下两公里处持续进行近二十年。这并非突然灵感带来的天才，而是坚持不懈的实验耐心——设计出足够灵敏的仪器来捕捉前人未曾捕捉到的事物，并保持长期的国际合作以获得清晰的答案。诚恳地说，中微子震荡的基本想法并非麦克唐纳独有：理论学家早先就已提出，梶田隆章的团队完全独立地使用不同的中微子得出了类似的结论，这正是诺贝尔奖共同授予的原因。麦克唐纳的独特贡献在于以决定性的方式证明了这一点，他的实验表现出的纯粹物理上的胆识——重水、活跃矿井、如此规模的宇宙射线屏蔽——既是应用物理学和领导力的壮举，也是理论的壮举。

遗产

SNO实验的发现重塑了粒子物理学的一个基石假设，并留下了SNOLAB作为永久性的科学基础设施，目前这里正在进行暗物质搜寻和其他深地下的实验，这些实验在地球上其他任何地方都不可能实现。麦克唐纳在八十多岁时依然活跃在研究领域，他仍然是加拿大获奖最多的科学家之一，并持续关注着他最初为了捕捉少数几个太阳中微子而建立的地下实验室。