中微子振荡实验有望加快破解“反物质消失之谜”

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆交叉与重大前沿团队

吕晓蓉（E-mai:lvxr@mail.las.ac.cn）、李泽霞

审稿专家：中科院高能物理所姜晓明研究员

1 中微子研究在粒子物理学中占有重要地位

1930年，奥地利物理学家泡利[1]为了解释β衰变中能量不守恒的问题而提出中微子假设，但由于中微子不带电荷、质量极小（小于电子质量的百万分之一）且几乎不与其他物质相互作用（只参与弱相互作用和引力作用）而很难被探测到。因此长期以来，中微子只是在理论物理学家的计算方程中出现，而实验上始终无法证实它的存在。1934年，意大利物理学家费米提出了包含中微子的β衰变理论，与实验数据定量符合。1941年，我国物理学家王淦昌在美国《物理评论》杂志上发表“关于探测中微子的建议”文章。美国物理学家艾伦根据王淦昌的方案进行的实验于1942年间接证实了中微子的存在。1956年，美国物理学家莱因斯等人利用核反应堆作为强中微子源，在实验上首次直接观测到中微子（电子反中微子），并因此而获得1995年诺贝尔物理学奖。

中微子物理研究在历史上共获得3次诺贝尔奖，而该领域仍将成为未来非常活跃的研究领域。加速器中微子实验、大气中微子实验以及反应堆中微子实验的竞争将会愈加激烈，例如，日本的T2K实验和美国的NOnA实验，计划中的中国江门中微子实验、美国LBNE实验、南极PINGU实验、日本Hyper-K实验、印度INO实验等，科学界期待着更为辉煌的成就。纵观科学发展的历程，每一次重大基础科学的发现都引发了技术的新飞跃。目前科学家已经开始展望未来中微子通讯的诱人前景以及用中微子探测地球内部地质构造的中微子地球断层扫描技术。中微子未来研究对粒子物理与宇宙学理论的突破以及对社会、经济和文化产生的深远影响也许将超越人们的想象。

2 中微子振荡成为中微子研究的核心问题

20 世纪60年代，中微子研究进入崭新阶段。1962年，美国物理学家莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格等提出利用加速器产生中微子，实验结果发现了第二种中微子：µ中微子。这一杰出发现验证了轻子的二重态结构，为弱电统一理论的建立奠定了基础，该项成果荣获1988年诺贝尔物理学奖。1957年，前苏联理论物理学家庞帝柯夫首先提出“中微子振荡”猜想，认为中微子与反中微子在一定条件下可以相互转化。局限于历史条件，这一想法并不准确，但其思想导致了现代的中微子振荡理论：如果中微子质量不严格为零，且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同，根据量子力学原理，不同的中微子之间将可以相互转换。这也是判断中微子质量是否为零的方法。中微子的质量成为中微子研究中的一个关键议题。粒子物理标准模型认为，中微子的质量为零，也就是说，中微子质量不为零将导致超出标准模型的新物理。1968年，美国科学家戴维斯发现太阳中微子“失踪”现象，即到达地球的太阳中微子数只有理论预期值的1/3。印度的宇宙线实验（20世纪60年代）以及美国IMB和日本神冈实验（1985年）发现大气中微子反常现象。日本神冈探测器探测到来自超新星SN 1987A的中微子（1987年）。1998年，日本物理学家小柴昌俊领导的超级神冈实验（Super-K[2]）证实大气中微子振荡。2000年，美国费米实验室发现第三种中微子：τ中微子。2001年加拿大SNO[3]实验和日本反应堆KamLAND[4]实验进一步确认了太阳和反应堆中微子振荡现象、2002年日本K2K加速器实验则确认大气中微子振荡。戴维斯和小柴昌俊在探测宇宙中微子方面所取得的杰出成就共同荣获2002年诺贝尔物理学奖。这一成就催生了中微子天体物理学的诞生，打开了人类观测宇宙的又一新“窗口”。中微子探测技术作为一种新的天文观测手段，已成为研究早期宇宙形成、超新星爆发、恒星结构和演化以及宇宙暗物质和暗能量的新“探针”。

3 大亚湾中微子实验将我国粒子物理学研究水平推向世界最前沿

2003年前后，中微子振荡现象通过众多的实验证据得以确立。中微子振荡与中微子质量相关联，成为中微子研究中的核心问题。之前发现的中微子振荡可归纳为两大类：大气中微子振荡和太阳中微子振荡。中微子振荡存在3个未解决的问题：寻找第三种振荡（sin22θ13）、质量顺序（Δm232的符号）问题以及对称性破缺（δCP）问题。能否用现有实验技术研究后两个问题与θ13的数值大小有关，因此θ13也决定了中微子物理实验的未来发展方向。2003年，美国物理学会将利用反应堆测量混合角θ13列为中微子振荡研究的第一优先级研究方向。世界各国共提出了8个实验建议方案，其中有3个最终得以进行，包括法国Double Chooz实验、中国大亚湾实验和韩国RENO实验。2003年，中科院高能物理所的科研人员提出利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子开展中微子振荡实验，提出了实验总体方案。由于大亚湾核电站的高功率（世界第二）及其有利的地理条件（紧邻高山），使得大亚湾实验的预期精度达到了目前最高的国际设计精度，可将sin22θ13的测量精度提高到0.01。利用大亚湾反应堆测量θ13是我国粒子物理发展的一个重大机遇。2006年，大亚湾中微子实验项目获得批准立项，是我国基础科学领域目前最大的国际合作项目，中国内地总投资1.7亿元，由中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和台湾科学家共同参与。2011年12月24日—2012年2月17日进行的中微子实验测量结果表明[5]，中微子第三种振荡几率为9.2%，误差为1.7%，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。该项重大研究成果荣登美国《科学》杂志[6]2012年度十大科学突破，其评价为“如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻”。大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳研究员在新闻发布会上指出，这一重要研究成果是对物质世界基本规律的一项新的认知，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”，即宇宙中物质-反物质不对称现象。

中国大亚湾中微子实验在激烈的国际竞争中率先取得重大突破性成果，将我国粒子物理学研究水平推向世界最前沿。中国有可能在未来10—15年内在国际中微子物理研究领域占据重要地位。江门中微子实验（原称大亚湾中微子实验二期）的目标已瞄准“质量顺序问题”，以及混合参数精确测量、超新星中微子等多个前沿重大目标，未来的加速器实验将有望解决“CP对称破缺角”的测量，而中微子的CP破坏很有可能与宇宙早期的物质起源问题有关。

中微子其他待解决的问题还有不少。例如，中微子是Dirac或Majorana费米子，即中微子是否是自己的反粒子将是粒子物理的一个根本问题；中微子的绝对质量仍然未知；中微子磁矩测量、超新星中微子研究、宇宙大爆炸中微子探测等仍将成为粒子物理、天体物理和宇宙学共同关注的研究前沿与热点方向，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.