2015年诺贝尔物理学奖聚焦中微子震荡 中国科学家在该领域有突破

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北京时间10月6日下午，瑞典皇家科学院宣布，2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B。 McDonald），以表彰他们发现中微子振荡，证明中微子有质量。

在过去10多年里，诺贝尔物理学奖已经多次颁给中微子研究，那么，中微子和中微子振荡到底是个什么东西呢？用四张图来带你了解这一切。

中国科学家在这个领域有哪些成就？中山大学李淼教授的文章部分回答了这些问题。

大亚湾近点实验厅EH1（地下100米）。

四张图解释中微子研究

中微子是除光子外数量最为巨大的粒子，但它们与其他物质的相互作用很弱，地球表面每平方厘米的面积里，每秒钟有超过1000亿中微子穿过，却几乎不被人觉察。中微子曾经被认为是无质量的，而实际上，它们有一个极其微小的质量，并可以在传播过程中改变类型，这种匪夷所思、出人意料的性质令物理学家们十分费解。事实上，我们对于中微子的了解非常之少。“这是我们已知的宇宙最普遍存在的实物粒子，同时可能也是最神秘的。”奈杰尔·洛克耶（Nigel Lockyer）表示。奈杰尔·洛克耶是美国费米国家加速器实验室（也就是著名的费米实验室“Fermilab”）的主任。

四项前所未有的实验有望改变现状。其中，中国和印度的两个项目已经获得许可，而日本和美国的建造探测器方案也在规划当中。为了防止其他粒子的干扰，四个实验基地都将深埋于地下。这些实验中心将检测到更多的中微子，并能比任何现有实验更详细地研究中微子的转换过程。

研究结果有望助力于解决某些宇宙学中最基本的问题。有一些实验将会自己制造出中微子，所有实验都会使用他们从太阳或从超新星爆炸中捕获的所有中微子。“中微子的时代，”洛克耶说，“会持续很长的一段时间。”

撰文 伊丽莎白·吉布尼（ELIZABETH GIBNEY）

绘图 奈杰尔·霍庭（NIGEL HAWTIN）

文章来源：环球科学

翻译 李韵琦

审校 张旭阳

中国科学家在该领域也有重要贡献

2012年2月29号，我来到纽约州立大学石溪分校西蒙斯几何和物理中心，参加非常理论的超弦讨论会，而不意在3月7号听到来自欧洲的关于希格斯粒子实验的消息（其实是美国费米实验室的结果），在3月8号听到来自中国关于中微子实验的消息。来自中国的消息，第一次让中国人为本土的科学成绩所感动。

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中微子在过去半年中，数次占据了科学新闻的头条。先是2011年9月23号，从意大利格朗索萨（Gran Sasso）地下实验室，传来中微子超光速的震撼新闻，接着在同年11月份得到进一步消息。不过，也就是在我来美国前不久，意大利的实验发现了两个漏洞，一个和连接原子钟的光纤有关，一个和原子钟本身有关。这两个漏洞使得中微子超光速的结论变得毫不可信了。部分人兴奋，部分人失落。到底中微子的速度超了光速没有？我们需要等到今年5月份，欧洲核子中心重新启动加速器，产生意大利实验室需要的中微子，才能知道最后结果。
世界各地中微子实验的近况
其实，除了中微子超光速新闻之外，2011年不断地从其他实验组传来关于中微子参数测量的消息。例如，6月15号，日本T2K中微子实验，发表了中微子13混合角的测量结果（T2K是Tokai-to-Kamioka的缩写，即从东海到神冈的中微子实验）。他们看到，sin22θ13大约等于0.11，置信度有2.5个标准差。也就是说，这个数值不为0的置信度略小于99%。我们知道，在粒子物理实验中，置信度必须达到5个标准差才算发现，也就是说置信度必须达到99.9999%！即使如此，T2K中微子实验结果，被欧洲的物理世界列为2011年十大物理突破的第7位。

反应堆中微子的振荡规律。（图片：曹俊.《大亚湾中微子实验结果的简单解释》/科学网博客）
那么，sinθ13到底是什么？这得从太阳中微子短缺说起。上世纪60年代末，科学家发现，来自太阳的中微子数目，比当时的粒子理论预言的要少。人们认为，这是因为部分中微子变成其他类型的中微子，这就是所谓的“中微子振荡现象”。在基本粒子表中，一共有3种中微子。例如，在β衰变中产生的是“电子型反中微子”——当中子衰变成质子时，伴随产生的是电子以及反中微子，这个反中微子由于伴随电子出现，被称为电子型反中微子。除了电子型中微子，还有“缪子型中微子”以及“陶子型中微子”，都和轻子（电子、缪子、陶子）有关。如果太阳中微子由电子型中微子变成其他类型的，我们就能解释太阳中微子的短缺了。当然，如果我们能够探测到所有类型的中微子，中微子其实没有短缺。
那么，为什么不同类型的中微子之间会变换，就像川剧变脸呢？最简单的解释就是，所有3种类型的中微子都没有固定的质量，而它们的一些混合才有固定的质量。如果我们用1、2、3来标志这些有固定质量的中微子，那么不同的θ角代表，不同质量中微子与不同类型中微子之间的关系。例如，θ12就与电子型中微子和第二个质量中微子之间的混合有关。这些混合角都是基本物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。
中微子通过大气时也会振荡，叫“大气中微子振荡”。太阳中微子振荡和大气中微子振荡实验明确告诉我们，θ12和θ23都比较大，而θ13却很小。这个角到底是不是零或者到底有多小？一直是没有解决的问题。从去年到今年1月份，一共有3个实验得到了不等于零的值，但置信度都不高。这3个实验包括前面提到的T2K实验，还有美国的MINOS实验以及法国的Double Chooz实验。前两个实验中的中微子都是加速器产生的，而Double Chooz实验中的中微子是核反应堆产生的。Double Chooz测到的sin22θ13是0.086，比T2K的结果稍小，而MINOS实验测到的值最小，只有0.04。虽然这3个实验结果差别比较大，但由于实验精度不高，还不算互相矛盾。
中方主导的大亚湾中微子实验
位于中国的大亚湾中微子实验成立于2006年，主要由中国人组成，是一个国际合作实验，包括38个单位，292人。其中，主要力量来自中国科学院高能物理研究所，共有80人。其次就是位于长岛的布鲁克海文国立实验室，共有23人。除了中国和美国，还有来自香港和台湾地区的合作者。中方领导人是现任高能物理研究所所长王贻芳。当王贻芳开始领导这个实验时，他还是副所长。我记得一次在餐桌上，他说，他坚持中方主导。我当时想，这是正确的，如果实验不幸失败或落后于其他几个实验，他要负责；但如果实验成功了，中国人的贡献最大。大亚湾实验的优势在于除了核电站外，那里的地形适合屏蔽其他粒子。

大亚湾中微子实验项目地上外景（limiao.net）
大亚湾中微子实验中方投资不到2亿人民币，分别来自科技部、科学院、基金委以及广东地方。位于大亚湾核电站一共有6个核反应堆，而中微子实验有3个地下实验室，其中两个靠近反应堆（分别为470米和576米），一个远离反应堆，距离为1648米。3个实验室中共有6个重百吨的反中微子探测器，近的有3个，远的有3个。近探测器探测到的中微子数目，与远探测器探测到的中微子数目会有不同，这个不同可以用来测量反中微子“消失”率，从而计算出混合角。
从2011年12月24号开始，到2012年2月17号这55天收集到的数据中，实验组发现，近探测器共探测到80376个反中微子，而远探测器只探测到10416个中微子。经过计算，他们得到sin22θ13=0.092，而置信度高达5.2个标准差，也就是说，实验明确告诉我们这个参数值不为零。前面我们说过，尽管其他3个实验组也发现不为零，这些测量只能算证据，不能算发现，因为精度太低。
这也许是在中国本土首次测量到的基本物理学参数，我们一点也不过分地说，这是中国对基础物理学最大的贡献。在2012年3月8号下午的新闻发布会上，一位来自华盛顿大学的物理学家说：“我的一位著名美国同事说，这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。”这里，我向中国同行们表示祝贺。

大亚湾近点实验厅EH1（地下100米）。两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器成功安装在巨型水池之中，水池已逐步灌满超纯水。水池壁上安装着光电倍增管，通过探测宇宙线穿过水后产生的切伦科夫光，去除宇宙线对中微子探测的干扰。（图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）

岭澳近点实验厅 EH2（地下 100 米） （图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）

远点实验厅 EH3（地下 340 米） （图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）
本文来自李淼博客，原标题为《来自中国的物理学突破》，发布时间为2012年3月9日。李淼现为中山大学天文与空间科学研究院院长。