中微子振蕩實驗有望加快破解“反物質消失之謎”

整理撰稿人：中科院國家科學圖書館總館交叉與重大前沿團隊

呂曉蓉（E-mai:lvxr@mail.las.ac.cn）、李澤霞

審稿專家：中科院高能物理所姜曉明研究員

1 中微子研究在粒子物理學中占有重要地位

1930年，奧地利物理學家泡利[1]為了解釋β衰變中能量不守恒的問題而提出中微子假設，但由于中微子不帶電荷、質量極?。ㄐ∮陔娮淤|量的百萬分之一）且?guī)缀醪慌c其他物質相互作用（只參與弱相互作用和引力作用）而很難被探測到。因此長期以來，中微子只是在理論物理學家的計算方程中出現(xiàn)，而實驗上始終無法證實它的存在。1934年，意大利物理學家費米提出了包含中微子的β衰變理論，與實驗數(shù)據(jù)定量符合。1941年，我國物理學家王淦昌在美國《物理評論》雜志上發(fā)表“關于探測中微子的建議”文章。美國物理學家艾倫根據(jù)王淦昌的方案進行的實驗于1942年間接證實了中微子的存在。1956年，美國物理學家萊因斯等人利用核反應堆作為強中微子源，在實驗上首次直接觀測到中微子（電子反中微子），并因此而獲得1995年諾貝爾物理學獎。

中微子物理研究在歷史上共獲得3次諾貝爾獎，而該領域仍將成為未來非?；钴S的研究領域。加速器中微子實驗、大氣中微子實驗以及反應堆中微子實驗的競爭將會愈加激烈，例如，日本的T2K實驗和美國的NOnA實驗，計劃中的中國江門中微子實驗、美國LBNE實驗、南極PINGU實驗、日本Hyper-K實驗、印度INO實驗等，科學界期待著更為輝煌的成就?？v觀科學發(fā)展的歷程，每一次重大基礎科學的發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了技術的新飛躍。目前科學家已經開始展望未來中微子通訊的誘人前景以及用中微子探測地球內部地質構造的中微子地球斷層掃描技術。中微子未來研究對粒子物理與宇宙學理論的突破以及對社會、經濟和文化產生的深遠影響也許將超越人們的想象。

2 中微子振蕩成為中微子研究的核心問題

20 世紀60年代，中微子研究進入嶄新階段。1962年，美國物理學家萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格等提出利用加速器產生中微子，實驗結果發(fā)現(xiàn)了第二種中微子：μ中微子。這一杰出發(fā)現(xiàn)驗證了輕子的二重態(tài)結構，為弱電統(tǒng)一理論的建立奠定了基礎，該項成果榮獲1988年諾貝爾物理學獎。1957年，前蘇聯(lián)理論物理學家龐帝柯夫首先提出“中微子振蕩”猜想，認為中微子與反中微子在一定條件下可以相互轉化。局限于歷史條件，這一想法并不準確，但其思想導致了現(xiàn)代的中微子振蕩理論：如果中微子質量不嚴格為零，且中微子的質量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)不同，根據(jù)量子力學原理，不同的中微子之間將可以相互轉換。這也是判斷中微子質量是否為零的方法。中微子的質量成為中微子研究中的一個關鍵議題。粒子物理標準模型認為，中微子的質量為零，也就是說，中微子質量不為零將導致超出標準模型的新物理。1968年，美國科學家戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子“失蹤”現(xiàn)象，即到達地球的太陽中微子數(shù)只有理論預期值的1/3。印度的宇宙線實驗（20世紀60年代）以及美國IMB和日本神岡實驗（1985年）發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。日本神岡探測器探測到來自超新星SN 1987A的中微子（1987年）。1998年，日本物理學家小柴昌俊領導的超級神岡實驗（Super-K[2]）證實大氣中微子振蕩。2000年，美國費米實驗室發(fā)現(xiàn)第三種中微子：τ中微子。2001年加拿大SNO[3]實驗和日本反應堆KamLAND[4]實驗進一步確認了太陽和反應堆中微子振蕩現(xiàn)象、2002年日本K2K加速器實驗則確認大氣中微子振蕩。戴維斯和小柴昌俊在探測宇宙中微子方面所取得的杰出成就共同榮獲2002年諾貝爾物理學獎。這一成就催生了中微子天體物理學的誕生，打開了人類觀測宇宙的又一新“窗口”。中微子探測技術作為一種新的天文觀測手段，已成為研究早期宇宙形成、超新星爆發(fā)、恒星結構和演化以及宇宙暗物質和暗能量的新“探針”。

3 大亞灣中微子實驗將我國粒子物理學研究水平推向世界最前沿

2003年前后，中微子振蕩現(xiàn)象通過眾多的實驗證據(jù)得以確立。中微子振蕩與中微子質量相關聯(lián)，成為中微子研究中的核心問題。之前發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩可歸納為兩大類：大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩。中微子振蕩存在3個未解決的問題：尋找第三種振蕩（sin22θ13）、質量順序（Δm232的符號）問題以及對稱性破缺（δCP）問題。能否用現(xiàn)有實驗技術研究后兩個問題與θ13的數(shù)值大小有關，因此θ13也決定了中微子物理實驗的未來發(fā)展方向。2003年，美國物理學會將利用反應堆測量混合角θ13列為中微子振蕩研究的第一優(yōu)先級研究方向。世界各國共提出了8個實驗建議方案，其中有3個最終得以進行，包括法國Double Chooz實驗、中國大亞灣實驗和韓國RENO實驗。2003年，中科院高能物理所的科研人員提出利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子開展中微子振蕩實驗，提出了實驗總體方案。由于大亞灣核電站的高功率（世界第二）及其有利的地理條件（緊鄰高山），使得大亞灣實驗的預期精度達到了目前最高的國際設計精度，可將sin22θ13的測量精度提高到0.01。利用大亞灣反應堆測量θ13是我國粒子物理發(fā)展的一個重大機遇。2006年，大亞灣中微子實驗項目獲得批準立項，是我國基礎科學領域目前最大的國際合作項目，中國內地總投資1.7億元，由中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和臺灣科學家共同參與。2011年12月24日—2012年2月17日進行的中微子實驗測量結果表明[5]，中微子第三種振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%，從而首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式。該項重大研究成果榮登美國《科學》雜志[6]2012年度十大科學突破，其評價為“如果物理學家無法發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會代表粒子物理學的未來。大亞灣實驗的結果可能就是標志著這一領域起飛的時刻”。大亞灣中微子實驗國際合作組發(fā)言人王貽芳研究員在新聞發(fā)布會上指出，這一重要研究成果是對物質世界基本規(guī)律的一項新的認知，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質消失之謎”，即宇宙中物質-反物質不對稱現(xiàn)象。

中國大亞灣中微子實驗在激烈的國際競爭中率先取得重大突破性成果，將我國粒子物理學研究水平推向世界最前沿。中國有可能在未來10—15年內在國際中微子物理研究領域占據(jù)重要地位。江門中微子實驗（原稱大亞灣中微子實驗二期）的目標已瞄準“質量順序問題”，以及混合參數(shù)精確測量、超新星中微子等多個前沿重大目標，未來的加速器實驗將有望解決“CP對稱破缺角”的測量，而中微子的CP破壞很有可能與宇宙早期的物質起源問題有關。

中微子其他待解決的問題還有不少。例如，中微子是Dirac或Majorana費米子，即中微子是否是自己的反粒子將是粒子物理的一個根本問題；中微子的絕對質量仍然未知；中微子磁矩測量、超新星中微子研究、宇宙大爆炸中微子探測等仍將成為粒子物理、天體物理和宇宙學共同關注的研究前沿與熱點方向，等等。

1 Pauli W.Handbuch der Physik.Springer,1933,（24）：Part I.

2 Fukuda S et al.Super-Kamiokande Collab.Phys.Rev.Lett.,1998,（81）：1562-1567.

3 Q.R.Ahmad et al.,SNO Collab.Phys.Rev.Lett.,2001,（87）：071301-1-6.

4 Eguchi K et al.KamLAND Collab.Phys.Rev.Lett.,2003,（90）：021802-1-6.

5 An F P et al.Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay.Phys.Rev.Lett.,2012,（108）：171803-1-7.

6 ChoA.Key Neutrino Measurement Signals China's Rise.Science,2012,（335）：1287-1288.