中微子实验的过去、现在与未来——2015年诺贝尔物理学奖解读

陈少敏

(清华大学工程物理系；清华大学高能物理研究中心；辐射物理与成像教育部重点实验室，北京 100084)



特约稿件

中微子实验的过去、现在与未来
——2015年诺贝尔物理学奖解读

陈少敏

(清华大学工程物理系；清华大学高能物理研究中心；辐射物理与成像教育部重点实验室，北京 100084)

中微子是目前粒子物理、核物理、地球物理与天体物理及宇宙学研究中的一个交叉热门研究方向.2015年10月6日，瑞典皇家科学院宣布2015年诺贝尔物理学奖授予梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麦克唐纳(Arthur B.McDonald)，以表彰他们在发现中微子振荡也就是中微子有质量上所作出的贡献.本文将从中微子物理发展历史角度介绍中微子实验的过去、当前状况及未来发展，尤其是通过侧重对中微子振荡实验的介绍来解读该奖项.最后，还介绍了国内目前正在开展与拟议建设的中微子实验.

中微子、中微子质量、中微子振荡、中微子实验

2015年10月6日，瑞典皇家科学院宣布2015年诺贝尔物理学奖授予梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麦克唐纳(Arthur B.McDonald)(见图1)，以表彰他们在发现中微子振荡也就是中微子有质量上所作出的贡献.在其进一步的说明中还提到，来自日本的梶田隆章与加拿大的阿瑟·麦克唐纳是两个大型研究团队——超级神冈实验(Super Kamiokande)与萨德伯里中微子观测站(SNO)的科学家.这两个实验证明了中微子可以改变它们的形态，而理论上这样的形态改变要求中微子有质量.这一发现改变了我们对物质最深层次的认识，并将证明对理解宇宙具有关键性的作用[1].对于普通读者而言，为了理解这一发现，可以打个比方，人分为男性与女性.只要是一个现实世界的人(即有质量)，那么当你从生理学上判断这个人性别的时候，会发现这个人有时呈现为男性，有时呈现为女性.进一步地，你还会发现这种变化还与这个人所处的物质环境有关，这些也就是所谓的振荡现象.最重要的是，当你发现生理学方法已经不是一个好方法而需要用更高级的方法时，你的确通过各种振荡实验研究找到了新的方法(例如遗传学方法)，而且用藉此建立起来的振荡理论可以准确预言这种人体性别形态变化随时间的变化关系时，这是不是一件奇妙的事！如果此研究还可以揭开男、女比例失衡问题与未来走势，这是不是更令你感到惊叹！

图1 日本东京大学宇宙线研究所梶田隆章教授(左)，加拿大女皇大学阿瑟·麦克唐纳教授(右)

1 认识中微子

中微子，中文又称微中子，起名源自拉丁语：neutrino，其字面的意义为"电中性的微小粒子".中微子有多热，打开百度搜索器会发现其英文与中文名下有近五百万条的查询结果.为什么中微子有如此高的关注度，本文将结合2015年诺贝尔物理学奖对中微子的相关物理与实验进行详述.

20世纪初，人类在3种放射性：α、β、γ射线中，只观测到分立的α、γ射线能谱，但是β射线的能谱却是连续的[2].由于核衰变是原子核不同量子能级之间的跃迁，因此，量子体系的能级分立性必然导致核衰变释放出的能量也是分立的.在理解β射线的产生机制上，丹麦物理学家玻尔(Bohr)曾经评论道：“在目前的原子理论中，可以说无论是从经验还是理论上都没有理由坚持在β衰变过程中能量一定守恒.”由此可见当时的物理学家对β射线连续能谱的困惑有多大.而中微子假设是1930年由奥地利物理学家泡利(Pauli)首先提出的，目的是为了保证β衰变过程中的能-动量守恒和角动量守恒[3].他认为，中子作为一种大质量的中性粒子在β衰变过程中变成了质子、电子和一种质量小的中性粒子，正是这种小质量粒子将能量带走了.泡利预言的这个窃走能量的"小偷"就是中微子，这也被称为“绝望的泡利想法”.

中微子与其他物质的相互作用极小，相互作用截面在10-40cm2左右.换句话说，一个中微子可以毫无阻拦地穿透一光年厚的铅砖.自然界中的太阳、宇宙线、核电站，甚至地球内部都能产生大量的中微子.一个热功率为300万kW的典型核电站反应堆，每秒可以产生约6×1020个反电子中微子.

2 标准模型与中微子质量

在粒子物理学理论中，物质是由夸克、电子、中微子等基本粒子构成(如图 2 所示).在描述基本粒子相互作用的标准模型中，中微子有3种类型，或者称之为“味”，包括电子中微子、μ-中微子和τ-中微子(注：粒子物理中，“味”是用来描述夸克与轻子这些基本粒子的量子数.轻子共有6种“味”，即电子数、μ-子数、τ-子数，电子中微子数、μ-中微子数及 τ-中微子数.)到目前为止，通过正负电子对撞实验确认在中微子质量限为 45GeV/c2以下没有发现参与规范相互作用的第四种类型中微子[4].1957年的革命性实验发现弱作用中宇称不守恒[5]，并表明参与弱作用的中微子是纯左手的(即中微子的自旋方向与其动量方向满足左手法则)，没有右手中微子[6].同年，李政道和杨振宁、朗道以及萨拉姆分别独立提出了两分量中微子理论，这意味着中微子只有左手分量并且质量为零[7-8].在标准模型相互作用拉氏量的质量项中，如果没有右手中微子，则中微子的质量项将不存在，也就是中微子的质量为零，因此，中微子在标准模型中是严格无质量的.实验上任何发现中微子有质量的证据将表明存在超出标准模型的新物理.

3 中微子振荡

如果中微子有质量，即使极小，其物质波在传播过程中会出现一种奇特的量子干涉效应：中微子从一种类型转变成另一种类型，即中微子的味道会发生改变.这种现象称为中微子振荡，是由意大利物理学家庞蒂科夫(Pontecorvo)在1957年首先提出的[9].1962年，日本物理学家Maki,Nakagawa,Sakata 在此基础上对中微子振荡理论进行了改进，使中微子的质量本征态通过一个幺正矩阵(也就是中微子混合矩阵)变换到中微子的味本征态[10].

由于中微子只参与弱相互作用，其产生与探测均是以“味”的本征态来体现，即电子-(e)、μ-与τ-子中微子.但是，在描述中微子传播的运动方程中，中微子的哈密顿量形式取决于其能量，从而与中微子质量相关.在简单的两种中微子味混合模型中，质量本征态与味本征态可以通过一个转动变化联系起来.例如

混合的结果是通过弱作用产生一个给定味的中微子(例如式(1)中的电子中微子).随着时间的演化，味本征态的波函数，如上式中，μ-子中微子的含时波函数表示为

|νμ(t)〉=-sinθe-iE1t|ν1〉+cosθe-iE2t|ν2〉=

(cos2θe-iE1t+sin2θe-iE2t)|νμ〉+

这样，该给定味道的中微子将有一定的概率转化成其他味道的中微子(例如式(2)中的μ-子中微子)，即出现振荡效应.此时，味道没有发生变化的中微子概率大小(例如电子中微子)为

P2ν(νe→νe)=1-P2ν(νe→νμ)=

推广到3个中微子味道的混合模型，味本征态与质量本征态的联系可以表示为

此时的转动变换矩阵可以化为由3个欧拉角θ12，θ23，θ13参数表示的矩阵，并且可能出现1个或3个相位角(δ，φ1，φ2)，这取决于中微子的属性.对于中微子振荡概率，例如电子中微子转换到其他味道中微子的概率可以近似改写为

显然，如果中微子质量不为零，并且三代中微子质量本征态的本征值不相等，那么任意给定一个味本征态的中微子在传播过程中，会因振荡而转化为其他味本征态的中微子.在实验测量中，如果实验装置对其他味本征态不敏感，那么就会出现所谓的中微子“丢失”现象(如图3所示的电子中微子振荡现象).

图3 中微子振荡原理示意图注：电子中微子“味”本征态产生时，是3种中微子质量本征态的叠加.图中不同的长条方块表示相应质量本征态的概率大小.在传播过程中，3种质量本征态发生干涉，导致在观测时发现部分电子中微子“味”发生了改变，转换成μ与τ中微子，这就是中微子的振荡效应.

和

这里

与电子密度Ne，费米耦合常数GF以及中微子能量Eν有关.

4 中微子振荡实验

中微子虽然是为了解释原子核β衰变中的β粒子连续能谱而引入的一个概念，但是证明其存在却是在26年以后.美国物理学家柯温(Cowen)与莱因斯(Reines)等人，利用来自反应堆的反电子中微子与靶物质中的质子发生反β反应产生出可以探测的正电子与中子，首次从萨凡纳河(Savannah River)实验中发现中微子存在的证据[13].在1956年6月14日，柯温与莱因斯在给远在瑞士苏黎世大学的泡利发电报说道：“很高兴地通知你，通过观测质子的反贝塔衰变，我们肯定是探测到了来自裂变产物的中微子.所观测到的截面与预期的6×10-44cm2符合得很好[14].”40年后，莱因斯由此获得1995年诺贝尔物理学奖.

实验上对中微子的探测均是通过与物质发生反应来实现的.最常用的是让中微子与电子或核子(质子与中子)发生相互作用，打出可以探测的带电轻子(例如正负电子或μ-子)来完成.部分实验还可以结合探测反冲的核子来确定正、反中微子类型.从运动学角度看，如果中微子的能量比打出的带电轻子静止质量要大得多时，这些带电轻子往往携带了原初入射中微子的方向信息.这样从实验上就可以实现对入射中微子的动量进行重建，从而达到研究中微子的目的.实验上预期可以探测到的中微子事例数可以简单估算如下

由于中微子反应截面σν大约在10-40cm2左右，而一吨靶物质所包含的靶原子数Ntarget在1030左右.因此，要想从实验上得到足够的统计量，要求入射中微子的流强Φν不能太低，实验采集数据的时间T还要足够长.对于一些流强较低的待研究中微子源(例如太阳中微子、地球中微子和超新星中微子)，还要设法增大靶体积，这就构成了中微子实验需要几百乃至几万吨靶体积，以及几年甚至十几年二十年数据累积的独特特点.

图4 超级神冈实验探测装置示意图

图5 大气中微子振荡探测原理(左图);各向同性的大气中微子如果不发生振荡在超级神冈探测器中，预期看到中微子事例数随天顶角变化的分布图(右图)

历史上关于中微子振荡的实验研究持续了几十年，但从实验测量的可靠性上看，首次确认中微子振荡现象当属超级神冈实验(Super Kamiokande).如图4所示，该实验于1998年建在日本富山县神冈町1千米岩石覆盖的山体内，利用拥有五万吨纯净水的切伦科夫探测器，测量了大气μ-中微子通量的大小随天顶角(定义为中微子飞行方向与垂直地面指向地球中心方向的夹角)的变化关系.实验原理如图5(左图)所示.如果大气中微子是各向同性的，不考虑中微子振荡，大气中微子到达探测器的天顶角分布实际上就是其相空间的分布，即图5(右图)的分布.为了提高对中微子方向重建的精度，同时也为了避免原初高能大气中微子振荡到τ-中微子的干扰，实验分析只研究能量为GeV左右的电子与μ-子的天顶角分布.实验结果如图6所示，通过观察中微子反应产生的电子(e-like)事例，大气中的电子中微子只显现出轻微的振荡现象.但是，中微子反应产生的μ-子(μ-like)则显现出明显的振荡现象，出现了所谓的μ-中微子“丢失现象”.而且，该天顶角分布也和振荡理论预期一样随能量的变化而发生改变，明显表现出中微子的振荡行为[15].

图6 超级神冈实验测得的电子与μ子天顶角分布注： 阴影部分为没有中微子振荡的预言分布；带误差的黑色点为实验测量值；实线直方图为中微子振荡的理论预言分布

尽管如此，中微子振荡现象被普遍接受应该是在2000年以后，也就是在得到来自反应堆中微子、太阳中微子以及加速器中微子实验的独立验证以后.其中，同在日本富山县神冈町的KamLAND实验利用一千吨液体闪烁体探测器(如图7所示)，通过探测反电子中微子与液体闪烁体中的质子发生反β反应，测量来自日本本土与韩国核电站反应堆所产生的中微子通量随传播距离的变化关系，也发现了反应堆反电子中微子与大气中微子一样存在“丢失现象”[16].

而更具有决定性意义的是在加拿大安大略省萨德伯里(Sudbury)附近2千多米地下的Sudbury Neutrino Observatory(SNO)实验(如图 8所示).该实验用一千吨重水做靶物质来探测来自太阳的太阳中微子.在标准太阳模型中，太阳内部的核聚变反应会产生大量的电子中微子.这些太阳中微子从太阳飞到地球与重水发生如下的3种反应(如图8(右)所示)：

图7 KamLAND探测器示意图(左图).该实验观测到的反应堆中微子事例数，在离反应堆平均距离大约180km处，明显低于没有中微子振荡假设情况下预言的事例数(右图)

其中反应I(也称为带电流过程)只对电子中微子敏感，反应II(也称为中性流过程)对3种味道的中微子都同样敏感，反应III(也称为弹性散射过程)虽然对3种味道的中微子都敏感，但对电子中微子的敏感程度要比其他两种味道的中微子要高5倍.根据运动学原理，对于能量较高的中微子，例如能量大于6 MeV的中微子，由于电子质量仅有0.5 MeV/c2，因此，反应末态中出射电子大多沿原来入射中微子的方向，也就是从太阳到地球的连线方向.该特点使得实验上可以把反应III从另外两种反应区分开来.对于反应I与反应II两种模式的区分，实验上是通过探测反应I过程产生的电子与反应II过程产生的中子来完成[17-18].显然，如果太阳中微子的“丢失”完全是由于味道改变的中微子振荡产生，那么从电子中微子转换到其他两种味道的中微子通量可以从反应II模式中测量出来，从而从实验上解决了因实验对不同味道灵敏度不同而造成的“丢失”问题.该实验不但观测到过去几十年所观测到的太阳电子中微子的“丢失”现象，而且测量了已经转变为μ与τ两种“味道”的太阳中微子通量之和与预期“丢失”的太阳电子中微子通量完全相符，从而完美地解决了长期困扰物理学界的太阳中微子“丢失”问题[19].

图8 加拿大萨伯里中微子观测站SNO实验探测器示意图(左图)；太阳中微子在重水中的3个反应过程示意图(右图)，它们分别为经过带电流过程(CC)，中性流过程(NC)，以及弹性散射过程(ES)

与上述实验不同，日本的K2K(KEK-To-Kamioka)加速器中微子实验，利用筑波高能物理实验研究机构(KEK)的加速器产生高能μ-中微子束流，经过几百米远的近点中微子探测器(如图9所示)，射向250km之外放置在神冈(Kamioka)的超级神冈中微子实验探测器.通过测量远近点中微子流强比来验证大气μ-中微子的振荡现象，实验结果与大气μ-中微子结果一致[20].

图9 日本加速器中微子K2K实验近点探测器示意图(左图)；加速器产生的μ-中微子在闪烁体与水构成的探测器阵列留下的反应痕迹，长径迹代表反应产生的带电μ-子，短粗径迹代表反冲的质子(右图)

这些中微子振荡现象的发现与证实，明白无误地展现了中微子有质量这一超出标准模型的新物理.2002年，在纽约大学石溪分校举行的“中微子与超出标准模型的物理”研讨会上的开幕致辞中，诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生讲道：“我过去不相信中微子振荡，这一信念甚至在戴维斯(Davis)艰苦的工作与巴考(Bahcall)细致的分析以后都没有改变过.现在，对于接下来几天我们将要听到的漂亮实验报告，我不得不举双手投降，并接受中微子振荡这一现实.”

5 中微子混合角θ13

在2012年以前，中微子振荡这一实验事实是否可以在三代中微子振荡理论框架中很好地描述依然存在疑问.其中最主要的原因是在中微子混合矩阵中，用以描述第一与第三代中微子类型之间转化的混合角θ13，由于其太小在2012年以前尚未有直接的实验测量值.而且，从已有实验的测量值上看(见图10)，夸克混合矩阵的近似对角分布表明三代夸克之间的相互转换概率较小，这一点与中微子的情况完全不同.而在现有的粒子物理标准模型中，当所有费米子(包括中微子与夸克)和玻色子质量为零时，弱相互作用、电磁相互作用与强相互作用将具有基本的相似性.实验观测的中微子与夸克混合矩阵如此不同到底是什么原因造成的还依然是个谜.对于θ13的可能取值，一方面基于轻子味物理或大统一理论，对sin2θ13的大小有上百个理论模型预言，范围在10-5与10-1之间[21].因此，实验的精确测量可以对这些理论模型进行有效的检验.另一方面，该角度在中微子混合矩阵中，与体现中微子部分可能存在的电荷-宇称破缺项耦合在一起.太小的角度将直接影响到未来对该破缺项测量的实验规划，而中微子的电荷-宇称破缺是理论上认为有可能揭开自然界反物质消失之谜的关键.

图10 三代夸克混合矩阵(左图)与三代中微子混合矩阵(右图)注： 方块大小表示矩阵元的相对大小.2012年大亚湾反应堆发表测量结果以前，中微子混合矩阵右上方的矩阵元仍然未知

2012年3月8日，中国广东大亚湾核反应堆中微子实验国际合作组向世界宣布，在离大亚湾核反应堆约1.7km的位置，发现有大约6%的反电子中微子失去了踪迹(见图11)[22].实验结果sin22θ13= 0.092±0.017，完全超出了当时人们的想象.这个结果在一个多月后，又被韩国的RENO实验和法国的Double-Chooz实验[23-24]证实.这种由第一代与第三代中微子质量本征态所引起的振荡，在过去的中微子实验中并没有直接观测到.因此，大亚湾实验的结果可以说是将三代中微子的三种振荡格局最终正式建立起来，把中微子振荡证据链上的最后一个环节补齐了，从而把梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳送上了2015年诺贝尔物理学奖的奖台.

图11 大亚湾核反应堆中微子实验近点、远点探测器设置示意图(左图)；实验观测到的反应堆中微子事例数，在离反应堆平均距离大约500m和1.7km处，明显低于没有中微子振荡假设情况下预言的事例数(右图)

6 中微子质量与排序

中微子振荡的确立虽然明白无误地表明中微子有质量，但是正如中微子振荡概率公式所表现的那样，实验对振荡的研究只能给出中微子质量本征态之间的质量平方差的绝对值，无法给出中微子的绝对质量以及3种类型中微子质量大小的排序，产生了所谓的3种类型中微子质量正排序(Normal Hierarchy)与逆排序(Inverted Hierarchy)问题.非但如此，振荡实验也无法回答中微子的属性问题：是左手狄拉克(Dirac)中微子，还是左右手不分的马约拉纳(Majorana)中微子.国际上各地下实验室都在计划新的实验，希望能从有双β衰变的同位素衰变能谱中，寻找到可能存在的无中微子双β衰变的证据，以判断到底是狄拉克型中微子还是马约拉纳型中微子.

中微子有质量不仅对粒子物理研究意义重大，对宇宙学研究方面也具有深远的意义.一般认为，在诞生宇宙的大爆炸中，产生了同等数量的物质和反物质，但两者性质完全不同，反物质几乎全部消失而仅剩正物质形成了现在的宇宙.尽管2008年获得诺贝尔物理学奖获得者小林诚和益川敏英，发现了预言自然界中至少存在三代夸克破缺对称性的起源.但是，已观测存在于夸克混合中的电荷-宇称破缺强度仍解释不了宇宙形成之迷.按目前一般的看法认为这可能与中微子的特性有关.目前流行的理论方案认为，宇宙反物质消失之谜与可能存在的超大质量右手中微子及其包含的电荷共轭-宇称破坏有关，因为宇宙在演化过程中，随着温度的降低，导致了右手中微子衰变过程的不可逆，从而使产生的正反物质差额遗留下来.在正统的“翘翘板(seesaw)机制”里，右手中微子的超大质量跟普通左手中微子的微小质量成反比关系，这也同时解释了中微子质量为什么如此小的疑惑.虽然目前一段认为中微子不足宇宙中物质的1%，但它们却是宇宙模型的重要组成部分.在关于神秘的暗物质的所有假想中，中微子是迄今为止唯一能够证明暗物质实际存在的粒子.目前通过β能谱直接测量出的反电子中微子质量上限为 2.3eV/c2(95%置信水平).而通过宇宙微波背景辐射数据，并结合相关超新星与银河系结构的数据，有研究表明各种类型中微子的质量和不大于0.66eV/c2(95%置信水平).由此可见，小小的中微子的确有可能如“翘翘板机制”所启示的，翘起了浩瀚的宇宙！

7 中微子的未来

尽管中微子概念的提出至今已经整整85周年，而且从1998年实验首次证实中微子的振荡现象，揭示了中微子具有极微小的质量以来，这一不符合标准模型预言的事实已经困惑了物理学家多年，隐藏在中微子质量背后的物理至今依然没有确定下来.超出标准模型新物理的猜测大量发表在各类物理期刊上，每年在标题中含“中微子”的论文有1000篇左右，需要实验的检验与证实.正如理论物理学家斯密尔诺夫(Smirnov)于2009年在法国举行的第21界“宇宙之窗”布洛瓦大会上所说的：“从发现中微子有质量至今已经11年了.尽管在理论与实验上做了大量的工作，但是，隐藏在中微子有质量背后的物理依然没有确定下来.它应该是超出标准模型的一些新物理，可以是许多年前提出的老的新物理，需要理论的详细研究，也可以是目前提出的新物理，或是一些我们没有想到过的”.

除了中微子特性方面的物理以外，在天体物理方面，对来自宇宙的中微子探测也是一项具有深远意义的研究.最著名的例子就是太阳中微子的研究，通过研究太阳中微子，理论上已经掌握了太阳内部是如何反应的，确立了标准太阳模型.近年来实验观测到极高能量的宇宙线，其能量达到了1020eV以上，宇宙线是如何获得如此高的能量的？这些宇宙线源自何处？这些疑问虽然都不易解答，但是作为宇宙信使的中微子，由于产生高能宇宙线的同时，也会伴随高能中微子的产生，而且中微子的特征表明其飞行路线不会受到星系磁场的影响，因此，从中微子的飞行方向可以反推中微子源的方向，进而理解极高能量宇宙线的来源.在另一方面，中微子也是宇宙演化的积极参与者.它们是β衰变的重要副产品，而β衰变除了会加热恒星爆炸的残骸与行星内部以外，更是恒星核融合反应的重要步骤.大质量恒星在生命尽头会发生内爆，所产生的超新星主要有两种类型，而中微子对其中一种的生成扮演了关键性的角色.内爆将恒星核心压缩成核子般的密度，并在10～15s内释放出1058个中微子.这些中微子带走整个过程释放出1046J能量的99%.因此，用中微子来观测超新星爆发，就可以看到普通望远镜错失的星球内部反应图像，其中包括了关键的早期演化过程.对1987年著名的超新星中微子爆发观测，就是由设在日本的神冈中微子探测器与设在美国的IMB(Irvine-Michigan-Brookhaven)中微子探测器来完成的[25，26].通过对超新星中微子能谱随到达地球时间的变化，科学家确立了恒星塌缩的基本理论.由于上述两个探测器仅为千吨级水质期伦科夫探测器，统计量较少，而目前的探测器达到了万吨量级(如超级神冈探测器)，因此，高精度、大统计量的测量能力将为下一次超新星事例的爆发提供精确的恒星塌缩、反弹及爆炸的即时动态图像.

即使对人类赖以生存的地球，通过探测来自地壳、地幔，甚至可能在地心的中微子，还可以提供地球科学研究中采用常规手段所看不到的信息.这是因为地球中微子测量可以回答(1)行星中的钾/铀含量之比值；(2)放射性生成热对地球热流的贡献；(3)地幔中放射性热源的分布；(4)地核中是否存在放射性元素；(5)地核与地幔边界的形态[27].因此，由地球内部的放射性元素产生的地球中微子可以作为一种新型的探针研究地球，推动对21世纪地球科学研究十大科学问题研究[28].在此方面日本的KamLAND实验可以说是捷足先登.通过对来自地球内部，能量在2.6MeV以下，由铀和钍通过级联衰变产生的中微子进行探测，该实验首次探测到了地球中微子，文章于2005年发表在著名的《自然》杂志上，开拓了中微子地质学的研究领域[29].

8 未来中国的中微子实验

房地产领域有一句名言“Location！Location！Location！”用以表示房地产投资的黄金法则.然而对于中微子实验而言，这句在房地产领域屡试不爽的名言也同样适用.正在建设的广东江门地下中微子实验站(JUNO)，正是利用了正在建设的广东台山与阳江两个核电站热功率大，相距不远，而把中微子探测器放置在距两个核电站恰好都是50km的江门，刚好处在反应堆中微子丢失概率最大的地方.而且，这个地方刚好有一个200多米高的山，只要实验放置在山下700m处，就可以较好地屏蔽宇宙线诱发产生的放射性本底，实现对中微子质量排序的测定.更值得一提的是，在四川西昌市附近的锦屏山，以清华大学和二滩水电站共同建设的中国锦屏地下实验室，由于拥有2500m的岩石覆盖层而成为目前世界上埋深最大的地下实验室.在地理位置、隧道岩石覆盖和纵深、宇宙线本底、岩石放射性、反应堆中微子本底、地壳中微子贡献与太阳中微子穿过地球路程等方面，在锦屏开展对于1～100MeV能段的中微子研究将具有国际上其他地下实验室不可比拟的优势.如果建设千吨级以上的中微子探测器，预计可以在地球中微子、太阳中微子、超新星中微子与暗物质寻找等方面具有不可预见的未来发现潜力(如图12所示，正在提议并进行预先研究的锦屏中微子实验示意图).

图12 正在提议的千吨级锦屏中微子实验示意图

9 结语

物理研究中，没有一个研究能够像中微子研究一样，能够把粒子物理、核物理、地球物理、天体物理与宇宙学多个学科方向紧密地联系在一起.但是，由于中微子探测的长期性、复杂性与艰巨性，使得相关中微子实验研究通常会遇到许多技术方面的挑战而进展缓慢.通常情况下，一个中微子实验从预研，到开始实验取数，再到发表最终的物理结果，往往需要长达10年的周期.清华大学校友，美国杜克大学物理系的高海燕教授，在一次参加与来清华访问的美国能源部官员的见面会上，曾经与笔者开玩笑说：“完成一项中微子实验所需的时间与完成一项电磁相互作用研究所用的时间之比，与电磁相互作用强度和弱相互作用强度之比是一个量级”.这与目前存在于许多行业的快餐文化可以说是格格不入.诺贝尔物理学奖获得者李政道先生曾说过：“在基础研究领域，中国错过了经典力学的17世纪，错过了电磁学的18、19世纪，错过了相对论和量子力学的20世纪，绝不能再错过21世纪.”因此，对于从事中微子实验基础研究各位同行来说是任重道远，应该具有诺贝尔物理学奖获得者丁肇中先生所提倡的“格物致知”精神，并以此共勉.

[1] 诺贝尔奖官方网站www.nobelprize.org.

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PAST,PRESENT AND FUTURE OF NEUTRINO EXPERIMENTS——INTERPRETATION OF THE NOBEL PRIZE IN PHYSICS 2015

Chen Shaomin

(Department of Engineering Physics,Tsinghua University;Tsinghua High Energy Research Center;Key Laboratory of Particle &Radiation Imaging,Ministry of Education,Beijing 100084)

Recently,the topic on neutrinos has become a hot interdisciplinary research direction among particle physics，nuclear physics，geophysics，astrophysics and cosmology.On October 6,2015，the Royal Swedish Academy of Sciences awarded the Nobel Prize in Physics jointly to Takaaki Kajita and Arthur B.McDonald for the discovery of neutrino oscillations,which in turn proved that neutrinos have mass.From the view of development of neutrino physics，this article introduces neutrino experiments from the past to the present and the future outlook.Special focus is given to neutrino oscillation experiments for the interpretation of the prize.The ongoing and proposed neutrino experiments in China are also described.

neutrino； neutrino mass； neutrino oscillations； neutrino experiments

2015-10-10

国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“大亚湾中微子实验的物理研究”(编号：2013CB834302)；国家自然科学基金重点项目“低能反电子中微子的实验研究”(编号：11235006).

陈少敏，男，教授，主要从事粒子物理实验方向的研究工作.chenshaomin@mail.tsinghua.edu.cn