中微子振荡

Apollonio, M; Baldini, A; Bemporad, C; et al.

Neutrino oscillations in matter

T. K. Kuo; James Pantaleone

Phenomenology of neutrino oscillations

Bilenky, SM; Giunti, C; Grimus, W

大亚湾与江门中微子实验

曹俊

（中国科学院高能物理研究所，北京 100049）

大亚湾反应堆中微子实验

王贻芳

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中微子振荡

·编者按·

瑞典皇家科学院10月6日宣布，将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。中微子在很长一段时间都被认为没有质量，这两位科学家的发现证明了中微子振荡现象，揭示出中微子具有微小的质量。这是粒子物理学的历史性发现。瑞典皇家科学院在新闻公报中说，这两名获奖者“对证明中微子转变身份的实验做出了关键性贡献。这种转变需要中微子具有质量。他们的发现改变了人类对物质最深层机制的理解，并能提升对宇宙的认知”。

中微子是一种不带电，质量极其微小的基本粒子，也是构成物质世界的最基本单元之一，共有三种类型，在目前已知构成物质世界的12种基本粒子中，占了1/4，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质，即它可以在接近光速的飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡。上世纪七十年代发现太阳中微子少于预期，称为“太阳中微子失踪之谜”；八十年代寻找质子衰变时意外发现大气中微子也少于预期，称为“大气中微子反常”。经过数十年研究，大气中微子振荡现象于1998年为梶田隆章领导下的超级神冈实验所发现，太阳中微子振荡现象于2001年被麦克唐纳领导下的萨得伯里实验确认。此后，多个实验验证了上述振荡现象，包括反应堆中微子实验KamLAND和加速器中微子实验K2K/T2K。

2012年中国大亚湾中微子实验测量到了一种新的中微子振荡，发现其振荡几率远大于预期，确定了中微子物理未来发展方向，并有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。目前，多个新的中微子振荡实验开始建设或正在申请中，将研究中微子质量顺序、电荷宇称破坏、精确测量振荡参数等。在这些新实验中，由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验今年1月在广东省江门市建设启动。其首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，并将在精确测量、超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、质子衰变、暗物质探测等方向开展国际先进水平的研究，实验站将于2020年投入运行。

本专题得到曹俊研究员（中国科学院高能物理研究所）的大力支持。

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截至2015年10月31日，中国知网（CNKI）和Web of Science（WOS）的数据报告显示，以“中微子（Neutrino）、中微子振荡（Neutrino Oscillation）”为词条可以检索到的期刊文献分别为346与8527条，本专题将相关数据按照：研究机构发文数、作者发文数、期刊发文数、被引用频次进行排行，结果如下。

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来源出版物: Physical Review Letters, 1998, 81(8): 1562-1567

Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station

Apollonio, M; Baldini, A; Bemporad, C; et al.

Abstract:This final article about the CHOOZ experiment presents a complete description of the (v) over bar (e) source and detector, the calibration methods and stability checks, the event reconstruction procedures and the Monte Carlo simulation. The data analysis, systematic effects and the methods used to reach our conclusions are fully discussed. Some new remarks are presented on the deduction of the confidence limits and on the correct treatment of systematic errors.

Keywords:antineutrino-induced reactions; experimental beta-spectra; fission-products; atmospheric neutrinos; reactor; kamiokande; pu-239; bugey; ratio; decay

来源出版物: European Physical Journal C, 2003, 27(3): 331-374

Neutrino oscillations in matter

T. K. Kuo; James Pantaleone

Abstract:Nonzero neutrino masses would provide new, unique information on particle physics beyond the standard model. Neutrino flavor oscillations provide the most sensitive method for directly testing for small neutrino masses. When the oscillations occur in matter, a resonance can occur that dramatically enhances the flavor mixing and can lead to conversion from one neutrino flavor to another. This is anattractive solution to the long-standing “solar neutrino problem.” The phenomenon of neutrino oscillations in matter is reviewed. Analytic descriptions of the neutrino flavor survival probability in matter are considered in detail. A discussion is given for applications of neutrino oscillations in matter for the sun, Earth, supernovae, and the early universe.

来源出版物: Reviews of Modern Physics, 1989, 61(4): 937-979

Phenomenology of neutrino oscillations

Bilenky, SM; Giunti, C; Grimus, W

Abstract:This review is focused on neutrino mixing and neutrino oscillations in the light of the recent experimental developments. After discussing possible types of neutrino mixing for Dirac and Majorana neutrinos and considering in detail the phenomenology of neutrino oscillations in vacuum and matter, we review all existing evidence and indications in favour of neutrino oscillations that have been obtained in the atmospheric, solar and LSND experiments. We present the results of the analyses of the neutrino oscillation data in the framework of mixing of three and four massive neutrinos and investigate possibilities to test the different neutrino mass and mixing schemes obtained in this way. We also discuss briefly future neutrino oscillation experiments.

Keywords:double-beta-decay; standard electroweak model; big-bang nucleosynthesis; maximal CP nonconservation; super-kamiokande detector; conserved lepton number; reconciling dark-matter; nuclear-power-reactor; quark mass matrices; exact parity model

来源出版物: Progress in Particle and Nuclear Physics, 1999, 43: 1-86

·推荐综述·

大亚湾与江门中微子实验

曹俊

（中国科学院高能物理研究所，北京 100049）

1 引言

中微子是构成物质世界的最基本的单元之一。与其他基本粒子——夸克和带电轻子相比，它们性质独特，而且很难探测，是人们了解最少的粒子，存在众多未解之谜。对中微子未知问题的研究，不仅将完善我们对物质世界最基本规律的认识，也很有可能导致对现有粒子物理理论体系——标准模型的突破，踏入新物理的大门。步入21世纪，中微子研究蓬勃发展，成为粒子物理最重要的分支之一，而且扩展到天文学、宇宙学、地球物理等多个学科，形成了“中微子科学”。

中微子的实验研究有60多年的历史，取得了许多重大发现，包括发现3种中微子、发现中微子振荡等，先后3次被授予诺贝尔奖。我国的中微子实验研究起步很晚，但取得了举世瞩目的成绩。2003年提出进行大亚湾反应堆中微子实验的构想，2011年底实验建成，短短2个多月后就发现了新的中微子振荡模式[1]，震惊了国际粒子物理界，被美国《Science》杂志评为当年的十大科学突破[2]。2008年大亚湾实验刚开始建设，我们就提出了下一步测量中微子质量顺序的设想[3,4]。大亚湾实验发现中微子混合角θ13远大于预期，大大提高了该设想的可行性。2013年江门中微子实验（JUNO）得以立项，预期2020年建成。它以确定质量顺序和精确测量混合参数为主要物理目标，同时可以开展超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子等多项国际领先水平的研究。最近我们提出了一种崭新的加速器中微子产生方法，正在开展前期研究；通过国际合作参与无中微子双贝塔实验，以研究中微子的粒子本性。这些研究涵盖了中微子物理中的大部分重大问题。

可以预期，在未来的一二十年，中微子实验物理将取得丰硕的成果，而我国将在这一领域做出重大贡献，成为国际中微子研究的中心之一。

2 中微子物理

中微子共有3种，分别是电子中微子（ʋe），缪中微子（ʋμ）和陶中微子（ʋτ）。它们与对应的3种带电轻子e，μ，τ以及6种夸克一起构成了物质世界的基本单元。

1930年，为了解释贝塔（β）衰变中能量似乎不守恒，奥地利物理学家泡利提出可能存在一种不带电、质量非常轻、几乎不与物质相互作用的粒子，称之为中微子。1956年柯万和雷因斯首次直接探测到中微子，雷因斯因此获得了1995年的诺贝尔奖。他们探测到的是由核反应堆释放的电子反中微子。1962年，莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格在布鲁克海汉实验室用加速器发现了第二种中微子——缪中微子，获得了1988年的诺贝尔奖。1989年，欧洲核子研究中心通过Z0衰变截面的测量，证明存在且只存在3种中微子。最后一种中微子——陶中微子直到2000年才被美国费米实验室的DONUT实验发现。

现在中微子的实验研究大致可以分成两类，一类是中微子振荡研究，另一类是非振荡物理，包括绝对质量的测量、无中微子双贝塔衰变（0vββ）寻找惰性中微子、寻找非标准相互作用和反常磁矩，以及中微子天文学等。

2.1 中微子振荡

在标准模型中，中微子是没有质量的。1956年李政道和杨振宁预言宇称不守恒，很快被吴健雄用实验证实。实验发现在弱作用中宇称不仅不守恒，而且是最大破坏的。造成这一现象的原因实质是只存在左手螺旋度的中微子（即它的自旋总是与运动方向相反），不存在右手中微子。这只有中微子质量为零才能成立，因为质量不为零的话，那么中微子的速度必然小于光速，可以选择一个比它还快的参考系，让它的螺旋度发生翻转。根据这一现象，李政道和杨振宁提出了弱作用的V-A理论，被标准模型所继承，与各种实验数据符合非常好。因此，一直到发现中微子振荡，我们都认为中微子是没有质量的。

庞蒂科夫在1957年提出，假如中微子有微小的质量，而且存在不同种类的中微子，就有可能会出现中微子振荡现象，即一种中微子在飞行中会变成另一种中微子。

1968年，布鲁克海汉实验室的戴维斯在美国Homestake的一个废旧金矿中观测到了来自太阳的中微子，他发现测到的中微子个数只有预期的三分之一，称为“太阳中微子失踪之谜”。中微子振荡是一个很自然的解释，然而定量的研究发现，这个解释存在很多矛盾的地方，不同实验的结果也相互矛盾。1978年，美国理论物理学家沃芬斯坦注意到电子中微子在物质中会受到电子的散射，将改变中微子的振荡效应。1986年，前苏联的理论物理学家米赫耶夫和斯米尔诺夫将这个想法用于解释太阳中微子问题。后来人们才意识到，这些实验看到的太阳中微子振荡并不是在从太阳飞到地球的过程中发生的（真空振荡），而是在太阳内部的物质场内发生的，这样原来矛盾的地方就可以得到解释。

1988年日本神冈实验发现测得的大气缪中微子比预期少，称为“大气中微子反常”。1998年升级后的超级神冈实验精确测得了缪中微子数随天顶角（即飞行距离）的变化关系，以确凿的证据发现了大气中微子振荡。2001年，加拿大SNO实验同时探测太阳中微子在探测器内发生的3种过程，发现电子中微子确实丢失了，但中微子的总数并没有变。2002年日本KamLAND实验用反应堆中微子证实了太阳中微子振荡模式。2003年日本K2K实验和2006年美国MINOS实验也用加速器证实了大气中微子振荡模式。中微子振荡现象被大量实验证据所确立。

中微子振荡间接说明中微子有质量，这是目前发现的唯一超出粒子物理标准模型的实验现象。

中微子振荡是一种量子相干现象。中微子本身不能被探测，它的产生和探测必须通过弱相互作用，因此，产生时和被探测时都是味本征态。中微子有质量，但是味本征态没有理由与质量本征态正好重合。这样，一个味本征态可以看作是3个不同质量本征态的线性叠加。在中微子以非常接近光速飞行时，不同质量本征态的物质波固有频率不同，飞行一段距离后，由于量子相干的结果，将会出现其他味本征态的分量，即有一部分变成了其他种类的中微子。微观的量子干涉现象能够在宏观上表现出来，主要得益于中微子的质量非常轻，与光速的差别一般小于10的负十几次方，不同质量的中微子飞行速度相差无几，在长距离飞行后仍然能保持相干性。

3种味本征态由3种质量本征态组合，可以表示为：

其中（ʋe、ʋμ、ʋτ）是味本征态，（ʋ1、ʋ2、ʋ3）是质量分别为ml，m2，m3的质量本征态。U是一个3×3的么正混合矩阵，称为PMNS矩阵。为了使物理意义更清楚，可以将混合矩阵参数化为3个欧拉转动矩阵的积：

其中第1项θ23主要与大气中微子振荡相关，第3项θ13主要与太阳中微子振荡相关，中间一项θ13和δCP主要与反应堆中微子和加速器中微子振荡相关。在上述表达式中，忽略了两个与中微子振荡无关的相位角。加上3种中微子之间的质量平方差（其中两个是独立的），例如共需要6个参数来描述中微子振荡。

由于两个质量平方差相差30倍，中微子振荡经常可以近似成两代中微子的混合。例如对能量为E（MeV）的中微子，飞行距离L（m）后，仍然是同类中微子的几率是：

上述几率也叫存活几率.相反，1-Psur就是它转变为其他种类中微子的几率。

这里假定了中微子质量顺序为正序（m3＞m2＞m1）。如果为反序（m2＞m1＞m3），的值略有不同。可以看出约为的30倍。混合角θ12，θ23很大而θ13较小，这与夸克混合中的3个小混合角很不一样。

2.2 中微子的未知问题

中微子研究最近取得了不少重大突破，但仍然存在众多未解之谜。这些问题相互关联，每个谜底都有可能改变我们对微观世界和宇宙的看法。因此，在未来相当长的一段时间内，它将仍是粒子物理的前沿热点之一。

中微子有质量是目前唯一有坚实证据证明超出粒子物理标准模型的现象。如何将中微子质量纳入标准模型中，首先会碰到它的粒子本性问题：它是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子？中微子自旋为1/2，是费米子。其他的费米子都是带电荷的，而中微子不带。这样，中微子可以像其他费米子一样，是狄拉克粒子，有一个狄拉克质量项，也可以是一种与众不同的马约拉纳粒子，即它的反粒子就是它自身，只是螺旋度相反。由于它的质量太小，目前唯一可行的研究办法就是寻找不释放中微子的双贝塔衰变。第二个问题是绝对质量是多少？通过中微子振荡只能测出中微子的质量平方差。精确测量贝塔衰变的电子能量端点，或者测量0vββ衰变（假如存在这类衰变的话），可以得到中微子质量的另一个关系，从而解出3种中微子的质量.另一种办法是宇宙学测量，Planck卫星最近给出了3种中微子质量之和的最佳测量结果，为（0.320士0.081） eV[6]。第三个问题是中微子质量顺序是正序还是反序？不同的质量顺序不仅影响中微子振荡的大小，也是得到其绝对质量的前提。它还对0vββ实验的前景有重大影响。如果观察到了0vββ衰变现象，则中微子肯定是马约拉纳粒子。如果没有观察到，对反序情况，未来一二十年达到的精度将能确定它是狄拉克粒子，如果是正序则仍然不能得出结论。由于中微子数目众多，在整个宇宙空间内为330个/cm3,它的质量问题对宇宙的起源与演化有重要影响。

如2.1中介绍的，除质量顺序外，中微子振荡参数中还有CP破坏相角的大小和θ23的八重度两个问题。其中CP破坏相角与宇宙中反物质消失之谜有关，是宇宙起源必须解决的关键问题。

第六个问题为惰性中微子是否存在？美国LSND实验1995年观测到极短距离的中微子振荡现象[7]，有人认为存在质量在1 eV附近的中微子。由于加速器上Z0粒子衰变实验己经证明只有3种参与弱作用的中微子，只能假定存在一种标准模型之外的、不参与弱作用的粒子，称为“惰性中微子”。还有一些其他迹象支持惰性中微子的存在，如反应堆中微子反常、GELLEX反常、宇宙学测量等。专门设计来验证LSND实验的MiniBooNE实验也未能得到有说服力的结果[8]。惰性中微子激起了相当一部分人的兴趣。新设计的实验包括距反应堆几米的地方测量中微子振荡、近距离的加速器中微子实验、利用放射源近距离测量中微子等等。也许未来一二十年内能够证实或否定它的存在。

第七个问题是PMNS矩阵是否幺正？如果存在超过3种中微子，那么3×3的混合矩阵就是一个更大的么正混合矩阵的子矩阵，因而不是么正的。最轻的中微子与顶夸克的质量相差15个数量级。同一个希格斯粒子，即要产生顶夸克那么大的质量，又要产生中微子那么小的质量，如此悬殊的差距让人很难相信。有一类很受物理学家喜欢的理论，叫“跷跷板机制”，它假定中微子是马约拉纳粒子，同时存在尚未发现的、跟顶夸克差不多重的重中微子，这样中微子的微小质量可以得到很自然的解释。如果存在重的马约拉纳中微子或者轻的惰性中微子，有可能通过检验PMNS矩阵的么正性来发现。新中微子将带来标准模型之外新物理的线索。

中微子还存在其他的未知问题，例如，如何测量混合参数中与中微子振荡无关的另外两个相位角；如何测量宇宙大爆炸背景中微子；探测超新星中微子、超新星遗迹中微子、超高能宇宙线中微子、地球中微子等等，它们与宇宙、天体、地球的起源与演化有关。

3 大亚湾反应堆中微子实验

3.1 实验背景

2002年，中微子振荡现象被众多实验证据所确立，通过大气中微子实验和太阳中微子实验测得了两组混合角和质量平方差，最后一个混合角θ13成为前沿热点。之前，1998年法国CHOOZ实验[9]和1999年美国Palo Verde实验[10]发现它比另外两个混合角小得多，只给出了上限值sin22θ13＜0.17。

加速器中微子实验和反应堆中微子实验都可以测量θ13。加速器实验的振荡几率与未知参数δCP和质量顺序有关，能够确定θ13是否非零，但无法精确测量θ13。反应堆中微子实验可以精确测量θ13，物理干净，但对实验精度要求很高。1999年Mikaelyan和Sinev提出在不同距离放置探测器，利用远近相对测量抵消系统误差，实现精确测量[11]。

由于该测量的重要意义，自2003年起，先后有7个国家提出了8个方案，计划用反应堆精确测量θ13，包括俄罗斯Krasnoyarsk，法国Double Chooz，日本KASKA，美国Braidwood和Diablo Canyon，巴西Angra，韩国RENO和中国大亚湾。大亚湾具有反应堆群功率大、邻近高山等地理优势，是进行该实验的最佳地点，同时实验方案上有多模块测量、探测器可移动、水池屏蔽、采用反射板等一系列独创设计，不仅实验精度最高，单位造价也最低。最终有三个方案得以实施，分别是大亚湾实验、Double Chooz和RENO。由于起初普遍认为θ13可能很小，需要测量sin22θ13到0.01的灵敏度，才能对中微子的未来发展起指导作用。只有大亚湾达到了这个要求，Double Chooz和RENO实验的灵敏度只有0.02～0.03左右。

大亚湾中微子实验自2003年开始酝酿，2006年5月和2007年1月，中国科学院和国家科技部先后对大亚湾实验立项，并得到了国家自然科学基金委、广东省、深圳市、中国广东核电集团的联合经费支持。实验2007年10月破土动工，2011年8月15日大亚湾近点投入运行，同年12月24日全部3个实验站点投入运行。为加快实验进度，赢得国际竞争，计划中的8个探测器只安装了6个。2012年3月8日，大亚湾实验发现新的中微子振荡模式，精确测量了混合角θ13，在国际上引起轰动。2012年10月19日，余下2个探测器安装完毕，实验全部建成。

大亚湾实验是一个以我为主、多国参与的重大国际合作项目。2006年成立国际合作组并不断发展壮大，由来自中国、中国香港、中国台湾、美国、俄罗斯、捷克的40个研究机构、约250名研究人员组成。其中中国承担全部的土建工程和一半的探测器研制。美国投入总经费3400万美元，研究人员约100人，承担约一半的探测器。其他国家和地区各有几十万至一百万美元的实物或经费贡献。这是中美在基础研究领域规模最大的合作之一在国内也开创了国家、地方与企业共同支持基础科学研究的先河。

3.2 实验原理

与大部分反应堆中微子实验一样，大亚湾实验采用液体闪烁体（液闪）探测器，通过反β衰变反应来探测反应堆中微子。液闪将粒子的电离能量转化为可见光光子，通过光电倍增管（PMT）探测，从而探测到粒子并确定其能量。液闪主要成分为碳氢化合物，既是中微子反应的靶物质，也是粒子的探测介质。一个反应堆中微子（ve）与液闪中的氢核（P）反应，生成一个正电子（e＋）和一个中子（n）：

正电子在反应发生时立即产生一个信号，称为快信号。中子需要在液闪中慢化成热中子，然后在核上俘获，释放伽马，形成第二个信号，称为慢信号。快慢信号的时间符合测量能够大大降低实验本底。中子在普通液闪的氢核上俘获释放2.2 MeV的单能伽马，俘获时间约为200 μs。大亚湾实验采用含钆质量比为0.1%的掺钆液闪，84%的中子将在钆上俘获，俘获时间降为28 μs，释放出总能量为8 MeV的几个伽马，远离天然放射性本底能区，进一步降低本底。中微子的能量其中Eprompt是正电子形成的快信号能量，包括正电子的动能和湮灭产生的两个0.511 MeV的伽马能量，E—n为中子的平均反冲动能，非常小，约为10 KeV。0.78 MeV来自质子与中子的质量差减去一个电子的质量。

反应堆是很好的中微子源。商用的反应堆一般是压水堆或沸水堆，核燃料为浓缩到2%～4.5%的铀235，其他成分为铀238。在运行过程中，铀238可以俘获中子，产生钚239和钚241。反应堆产生的能量和中微子主要由这4种核素裂变提供。这4种核素每次裂变释放的能量都在200 MeV左右。裂变产物一般为不稳定的放射性同位素，反应堆中微子就是它们的p衰变释放的。裂变产物非常复杂，质量数有一个分布，轻的碎片平均质量数为94，重的为140。根据核素的β稳定线，这些碎片都是中子偏多的，平均需要6次β衰变才能变成稳定核素，因此每裂变会释放出6个中微子。大亚湾每个反应堆的热功率为2.9 GW，根据每裂变释放200 MeV能量和6个中微子，可以估计出每秒钟释放5×1020个中微子。它们各向同性地飞离反应堆，流强反比于距离的平方。

反β衰变反应的阂值是1.8 MeV。在反应堆释放的中微子中，只有20%的能量大于阂值而能被探测到。大致说来，在1 km处探测器探测到的中微子数为每吨靶质量每GW每天1个事例。由于4种核素释放的中微子谱不一样，而核素的成分随着反应堆燃烧而演化，燃料循环初期这个事例率会比末期高约10%。采用不同的液体闪烁体作靶，氢原子密度不同，事例率也会略有变化。

由于裂变反应的产物非常复杂，理论计算的中微子能谱只能准确到10%。法国的ILL实验用热中子辐照纯的铀235，239和钚241，测量其β谱，然后逐段拟合，得到每种核素裂变释放的中微子能谱。铀238则采用理论计算得到中微子谱。核素随时间的演化可以通过堆芯模拟得到，热功率可测量到0.5%的精度，再加上一些小的修正，反应堆中微子流强现在可以计算到2%～3%的精度。

反应堆中微子的存活几率为：

其中

为了对未来的中微子实验指明方向，大亚湾实验的灵敏度设计为0.01，即只要sin22θ13＞0.01，大亚湾实验就可以在90%的置信水平上测量出来。对应的误差约为0.6%。这在粒子物理实验中是一个非常高的精度。如果反应堆中微子流强的计算精度为2%～3%，实验的误差就不可能小于这个值，我们在距反应堆很近、振荡还没有发生的地方也放置探测器，用来监测反应堆的流强，通过远近点的相对测量，将这个误差抵消掉。由于大亚湾的反应堆分得比较开，我们设计了两个近点，一个监测大亚湾核电站的两个堆，另一个监测岭澳和岭澳二期核电站的4个堆，实验的布局如图1所示。

远近相对测量不仅能消除反应堆的误差，也能抵消大部分探测器的误差。比如说，大亚湾实验中作为中微子靶物质的液体闪烁体主要是用烷基苯配制成的，而烷基苯是一种混合物，它含的碳和氢的成分比例不能精确知道。通过化学方法可以测量到0.5%左右。如果我们对远近点的探测器用同样的液体闪烁体，虽然我们不知道具体的碳氢比例，但远近点是一样的，如果远点高估了，近点也会高估同样的大小，这个误差就抵消掉了。原则上，只要远近点的探测器一模一样，即使我们不知道绝对的探测效率，也不会给θ13的测量带来误差。

实际上，不可能做出完全一样的探测器，它们之间的差别就是探测器的相对误差.通过模拟计算，我们估计可以做到使它们之间的相对误差小于0.38%。为了能过实验数据证明误差估计，我们设计每个点放多个探测器。其中两个近点各放两个中微子探测器（AD），远点由于距离远，中微子流强随距离平方变得比较小，我们放置了4个探测器。通过比较同一个点的两个探测器探测到的中微子事例，就可以确定出探测器的误差到底是多少。在获取了3个月的数据后，我们确定出探测器的相对误差仅为0.2%，好于设计指标[12]。

地面上有相当多的高能宇宙射线，大约每平方米每秒200个。这些宇宙线以及它们产生的次级粒子、长寿命同位素等会淹没稀少的中微子信号。因此实验必须在地下进行，依靠山来屏蔽宇宙射线。上述3个实验厅都位于地下，用水平隧道相连。EH1和EH2上的岩石约有100 m厚，而EH3则位于地下350 m。

3.3 实验装置

大亚湾实验的每个地下实验厅内有3种探测器：中微子探测器（又称中心探测器）、水切伦科夫探测器、阻性板探测器（RPC）。图2为1号实验厅（EH1）的实景图。为了屏蔽岩石中的天然放射性，两个圆柱形的中微子探测器浸泡在巨大的水池中，四周至少有2.5 m厚的水屏蔽。水池内安装光电倍增管，兼做水切伦科夫探测器以探测宇宙线。远处为用来探测宇宙线的RPC阵列。完成全部安装后，水池将用密封盖实现光密封与气密封，RPC将通过滑轨移动至水池正上方。

中心探测器是3层同心圆柱结构，如图3所示。最内层是20 t掺钆液闪，作为探测反应堆中微子的靶物质，装在直径3 m、高3 m的有机玻璃罐内。中间层是21 t普通液闪，装在直径4 m、高4 m的有机玻璃罐内，用来收集中微子信号泄露出内层的伽马能量，以提高探测效率，减小误差。最外层是37 t矿物油，装在直径5 m、高5 m的不锈钢罐内，以屏蔽来自探测器材料，如钢罐材料、PMT玻璃等的天然放射性本底。在矿物油内，192只8 in （1 in=2.51 cm）的光电倍增管被均匀地安装在钢罐的内桶壁，用以探测液体闪烁体发出的光信号。在4 m有机玻璃罐的上下底部安装有反射板，提高光信号的收集效率。整个探测器重约110 t。在钢罐顶部，放置有3个自动刻度装置。每个自动刻度装置可以将发光二极管（LED）、正电子源（68Ge）、伽马源（60Co）和中子源（Am-C）置于探测器内，沿3条垂直线进行能量刻度。

掺钆液体闪烁体是实验的核心技术。大亚湾的普通液闪用烷基苯（一种洗涤剂原料）作为溶剂，加上3 g/L的发光物质PPO和15 mg/L的波长移位剂bis-MSB为溶质。烷基苯具有闪点高、基本无毒、透明性好、易于大规模获得的优点。将无机物钆掺入有机液闪中是世界难题，之前的CHOOZ实验就因为钆析出导致液闪变坏而不得不提前终止。大亚湾实验采用异壬酸与氯化钆络合，然后将络合物溶入普通液闪中，得到性能优良、长期稳定的掺钆液闪[13]。其光学衰减长度为15 m（在430 nm的波长处），是己知透明度最好的液闪。发光效率相当于蒽晶体的50%，约10000光子/MeV。大规模生产设备先在北京高能所完成研制与测试，然后运至大亚湾。液闪的生产在地下5号厅进行，生产、存储设备过流部分全部采用氟塑料、有机玻璃、尼龙3种材料，以防止污染。

3 m和4 m有机玻璃罐也是探测器的难点之一，侧壁厚分别为10和18 mm。为保证8个探测器尽量全同，几何精度要求非常高，例如3 m罐的外径设计要求为（3120±5） mm，实际精度为士1.7 mm，体积的误差仅为0.17%。为保证不损坏薄壁的有机玻璃罐，3种液体同步灌装，灌装过程中液位差控制在20 cm以内。灌装的液体量由科里奥利流量计测量，关键的掺钆液闪还有专门的20吨灌装罐，并安装地秤，使靶质量的测量精度达到0.019%[12]。

采用反射板是大亚湾探测器的独创设计，在同样的光收集效率下可减少一半PMT的用量，大大降低造价，同时也降低了探测器的机械难度。反射膜采用反射率98%以上的镜反射膜ESR，夹在两层直径4.5 m，厚1 cm的有机玻璃板中，密封后抽真空，光学面基本没有挡光的死材料。表1列出了大亚湾与RENO和Double Chooz实验的光收集效率比较，同等光阴极覆盖面积的情况下，大亚湾的光电子产额为RENO的1.77倍，Double Chooz的2.18倍。

由于反应堆中微子能量较低，与天然放射性能区重合，因此需要采用低放射性本底探测器。大亚湾中心探测器的几十种材料和部件都需要经过放射性检测。其中不锈钢外罐为特殊生产的低本底钢材，PMT玻璃采用无钾玻璃，液闪原材料氯化钆、异壬酸等都经过特殊纯化，最终探测器的本底事例率为40 Hz（＞1 MeV），好于100 Hz的设计指标。

中心探测器运行时泡在巨大的水池中，近点实验厅的水池为16 m×10 m×10 m，远点为16 m×16m×10 m，放入中心探测器后水量分别为1400 t和2170 t。中心探测器放置在水池内2.5 m高的平台上，保证各个方向都有至少2.5 m厚的水屏蔽。水屏蔽层将来自周围花岗石的天然放射性降低1百万倍以上，基本消除了它的影响。它也将宇宙线在岩石中产生的中子本底降低30倍。水池用复合Tyvek反射膜分成光学不透明的内外两层，即内水池和外水池.内水池和外水池内分别装有合适数目的PMT来探测穿过水池的宇宙射线缪子产生的切伦科夫光，构成双重的缪子探测器。

水池内的水由地下4号厅内的纯水装置生产，分送到3个实验厅。每个实验厅内有一个较简单的循环净化装置，约30天循环一个体积，水池壁为水泥墙喷涂多层PermaFlex涂料，保证水的透明度。在Tyvek膜基础上自行研制的复合膜在水中的反射效率大于98%，好于其他实验报道的结果。水池上方有黑色密封罩，通过拉链实现方便可靠的光密封和气密封。密封罩内通有流动氮气，以防止细菌污染水质。水的各项物理化学性能都有长期监测，所有固体溶解物小于4×10-6，水池的水温变化控制在正负10℃之内。外水池的独立探测效率为97%，未被探测到的主要是挂角的和衰变的缪子。对中心探测器标记的宇宙线缪子，内水池的探测效率超过了99.8%，远高于实验设计的95%，也好于所有其他实验的报道。

水池上方覆盖有另一层独立的宇宙线探测器——阻性板探测器（RPC）。阻性板探测器由两层阻性板和两块板之间的2 cm厚气隙层组成。阻性板之间的高压在RPC的气隙层中产生很强的电场。当带电粒子穿过RPC的气隙层时，依据电场的强度，气体中产生雪崩放大过程或者流光放大过程。RPC的输出电信号通过放置在阻性板电极外部的读出条引出。大亚湾的RPC采用了由中国科学院高能物理研究所（简称高能所）开发的新型酚醛树脂层压板，工作在流光模式，高压约为7400 V。每个实验厅的水池顶部装有4层RPC构成的探测器模块，每块面积2.2 m×2.2 m。两个近点实验厅各装有6×9个模块，远点实验厅装有9×9个模块。每个模块采用三重符合的触发模式来标记宇宙线缪子，降低偶然符合的噪声。南方地下洞室的潮湿环境对RPC的运行带来很大影响，后来通过持续通干燥空气的办法解决了这一问题。RPC模块的探测效率稳定在90%～95%，对探测宇宙线的径迹和研究快中子本底起到了重要作用。

大亚湾实验电子学系统包括电子学、触发、探测器监控和数据获取几个子系统。电子学系统对各个探测器的信号实现读出并转化为数字信号，并转化为数字信号，共8000多道。探测器监控系统对探测器状态、性能和实验环境进行监控，并存入数据库。触发系统对3个实验厅的3种共17个探测器进行独立的信号判选，排除噪声信号，通知数据获取系统对电子学信号进行读出。触发的信号被数据获取系统组装成事例，存入现场计算机系统，然后通过155 Mbps的专用网络传输至高能所和美国伯克利国家实验室的数据中心。高能所的大亚湾离线计算机集群包括440 CPU核和750 TB磁盘。

自2011年以来，大亚湾实验装置一直平稳高效运行，物理取数效率达到94%以上。

3.4 科学成果及展望

测量θ13意义重大，除了3个反应堆实验外，还有两个加速器实验：日本T2K和美国MINOS正在进行。2011年6月，日本的加速器实验T2K发表结果，观测到了6个电子中微子事例，预期本底为1.5个，θ13不为零的置信度为2.5倍标准偏差[14]。粒子物理中一般3倍标准偏差以下的结果称为“迹象”，3倍以上称为“证据”，5倍以上可确定为“发现”，由于日本大地震震坏了他们的加速器，短期内无法得到更确定的结果，紧接着Double Chooz和MINOS也给出了1.7倍标准偏差的结果。

为了加快实验进度，赢得国际竞争，大亚湾实验的第一阶段并没有安装完成全部的8个中微子探测器，而只装了6个，岭澳近点和远点各少装了一个。由于大亚湾实验设计精度很高，如果θ13较大的话，不需要全部探测器也能测得很准。大亚湾实验的近点实验厅EH1于2011年8月15日开始运行。通过AD 1和AD2的实验数据，进行了大量的本底和误差的研究，基本上确定了分析方法[12]。EH2于11月5日开始运行，EH3于12月24日开始运行，开始3个点同时测量，获取有意义的物理数据。

大亚湾近点EH1每个中微子探测器每天测得约700个中微子，EH2约600个，EH3每个探测器约70个。3个点每天获取的数据量约为200 GB。其中中微子事例只占极少的部分，大部分是天然放射性和宇宙线带来的本底。例如，对近点的一个探测器，宇宙线事例是21 Hz，天然放射性是280 Hz，而中微子事例只有0.01 Hz。为了将这些中微子事例挑出来，首先要做宇宙线反符合，就是由宇宙线探测器标记的每个宇宙线事例后面200 μs甚至1 s的时间内，中微子探测器测到的事例都去除，这样可以把宇宙线带来的本底基本上去除干净.然后需要做一个快慢符合测量，要求一个信号后面600 μs内必须有一个6～12 MeV的慢信号成对出现。加上其他一些辅助的挑选条件，就可以干净地挑出中微子事例，本底只占百分之几。中微子事例的挑选效率为64%（近点）到76%（远点），丢失的事例主要是因为中子在氢上俘获、宇宙线反符合、以及中子能量判选.挑选效率的相对误差（即不同探测器的差别）仅为0.2%。由于大亚湾实验多模块的特殊设计，通过同一站点的AD 1与AD 2的比较，不仅可以可靠地估计探测器系统误差，而且可以通过两个AD探测到的中微子事例率进行直接检验，很大程度上提高了实验的可靠性。在本底中，大部分是可以精确确定数量的偶然符合本底，经过仔细研究，不确定性较大的其他本底共有4种，为宇宙线产生的长寿命同位素8He/9Li、宇宙线产生的快中子本底、自动刻度装置中的中子源产生的关联本底、α-n反应产生的快中子本底，总共只占信号的0.5%左右。

2012年3月8日，大亚湾实验发表结果，以5.2倍标准偏差发现了θ13不为零，而且出人意料地大。分析了55天的数据后，远点的3个探测器共观测到约1万个中微子。通过远近点比较，我们发现远点的中微子数丢失了6%，统计误差为1.1%，系统误差仅为0.4%。这个比值换算成混合角，通过更精确的了分析，得到sin22θ13=0.092士0.017[1]。

图4显示了3个实验厅内的6个中微子探测器测量到的中微子数与预期中微子数的比值。横坐标是中微子的飞行距离。纵坐标为1的虚线表示没有振荡。曲线为中微子的振荡曲线的最佳拟合值.在近点实验厅EH1和EH2，振荡很小（这里的振荡主要来自较远的反应堆，比如从岭澳反应堆到大亚湾近点EH1的两个探测器距离超过1 km，己经有了一些振荡效应），在远点实验厅的3个探测器可以看到明显的振荡效应。小图中的χ2分析表明θ13不为零的置信度为5.2倍标准偏差。

大亚湾发现出人意料大的中微子振荡，对国际中微子研究产生了巨大的影响。大的θ13意味着中微子质量顺序、CP破坏相角的效应比较容易观测到，现有实验技术就可以进行测量。我们可以重新思考中微子研究的路线图，在未来的几年或十几年中，中微子振荡研究将会取得丰硕的成果。

2012年底大亚湾实验用2.5倍的统计量更新了θ13测量结果，使θ13不为零的置信度达到7.7倍标准偏差[15]。2013年采用能谱分析和更大的统计量，置信度超过10倍标准偏差，而且首次测量了相关的质量平方差[16]。

大亚湾实验将至少运行到2017年，对sin22θ13的测量精度将达到3%～4%。在未来的几十年内，这将是对这一基本参数最精确的测量。对的测量精度也将达到3%～4%，超过目前加速器实验对的测量。

大亚湾实验将对反应堆中微子能谱进行测量。最近，改进后的理论模型预言的事例率与测量数据出现了一定偏差，称为“反应堆中微子反常”[17]，被当成支持惰性中微子存在的一个依据。现有反应堆中微子能谱是根据测量的β谱数据，假定30条虚拟的β衰变谱反解得到，因此存在较大的模型依赖。模型预言的事例率的误差被估计为2%～3%，但模型的反解过程只采用了虚拟的允许跃迁谱形，未考虑禁戒跃迁，有人认为该误差被严重低估。最近己发现测得的能谱相对于理论模型在4～5 MeV处有一个“鼓包”，超过预期值10%以上，远大于2%～3%误差。很可能这预示着禁戒跃迁有较大贡献，原来能谱模型误差很大。大亚湾实验两个近点将积累世界上最大的中微子样本，可以实现对中微子谱的精确测量，预期可以将它的误差确定到1%左右，好于现有理论模型，对未来的反应堆中微子实验（如江门中微子实验）和反应堆增殖监测等具有重要意义。

4 江门中微子实验

4.1 物理目标

测量质量顺序在大亚湾测得θ13后成为中微子研究的下一个热点。利用反应堆中微子振荡中的干涉效应可以测量质量顺序，其最佳基线（即反应堆到探测器的距离）约为60 km，需要很大的探测器和极佳的能量分辨率，从精确的能谱测量中确定这种干涉效应。2008年高能所就提出了进行该实验的设想，称为大亚湾二期实验。发现θ13很大后，实验难度大大降低，这项工作得以迅速提上日程。该实验要求探测器到各个反应堆的距离相等，否则干涉效应将相互抵消。由于大亚湾附近规划的反应堆布局不利于测量，2012年确定在广东省江门的开平市建立实验站，位于距阳江核电站和台山核电站53 km处。实验将建设一个有效质量为2万吨的液体闪烁体探测器，位于地下700 m，能量精度为3%。预期6年数据可以通过干涉效应将质量顺序确定到3倍标准偏差的置信水平。如果考虑到加速器中微子实验对的测量精度届时可以达到1%左右，通过绝对测量可以提高置信度至4倍标准偏差[18]。

江门中微子实验可以通过研究反应堆中微子振荡，同时精确测量sin22θ12和2个质量平方差参数到好于1%的精度。如前所述，精确测量混合参数将使检验混合矩阵的么正性成为可能。假如存在重的马约拉纳中微子，幺正性的破缺有可能在1%的尺度上显现出来。

超新星对宇宙学和天体演化具有极为重要的意义。超新星爆发时，99%的能量被中微子带走，而且只有中微子才能从超新星内部逃逸出来。到目前为止，人们总共探测到20多个超新星中微子事例，来自1987A的爆发。对一个类似的超新星，江门中微子探测器将可以探测到5000个中微子。计划中的日本Hyper-K可以探测到更多的中微子，但江门实验采用液体闪烁体，可以通过碳核的非弹性过程确定中微子的味，这对判别目前几种主流的超新星理论模型至关重要。也可以利用超新星中微子进行绝对质量测量、混合参数测量等研究。

地球中含有铀238和钍232，它们产生的地热可能是驱动地球演化的主要因素。它们衰变产生的中微子称为地球中微子。不同的地球演化模型预言了不同的铀钍含量，通过探测地球中微子，可以获得其他手段无法达到的地球深处的信息。日本KamLAND实验首次探测到了地球中微子[19]，最新结果确定其事例率为（30.3±7.1） TNU（TNU为地球中微子单位，相当于1千吨探测器每年测到1个地球中微子），意大利BOREXINO也进行了测量，为（38.8±12.2） TNU，但它们事例数太少，精度不高。江门中微子探测器比它们大20～40倍，能够更准确地探测地球中微子，有可能达到判别地球演化模型所需的3 TNU的精度。

高统计量、低能量的太阳中微子将能用来研究标准太阳模型中的金属性疑难、测量太阳中微子随能量从物质效应振荡到真空振荡的变迁、研究对新物理敏感的pep太阳中微子等。通过采用强放射源置于探测器内部，如果存在惰性中微子，江门中微子探测器可以观测到完整的振荡图象，从而干净地确认或排除轻的惰性中微子。对大气中微子的探测对质量顺序和θ23的八重度有一定的测量能力。此外，还将进行暗物质、质子衰变等一系列新物理寻找。

总之，江门中微子实验高性能、大质量的探测器将具有非常丰富的物理目标，对当前中微子的多个未知问题进行国际领先水平的研究。

4.2 国际态势

测量质量顺序是江门实验的主要物理目标。这是当前中微子振荡研究的前沿热点，国际竞争非常激烈.我们曾经认为θ13很小，质量顺序、CP破坏相角等未知参数用现有技术可能难以测量。因此，十几年前人们就开始研制中微子工厂、贝塔束流等新技术以应付θ13很小的情况。大亚湾实验发现θ13远大于预期，因此用现有的技术就进行质量顺序和CP破坏的研究。国际上共提出了8个实验方案以测量质量顺序，包括中国的JUNO、美国的LBNE、美国在南极洲的PINGU、日本的超超级神冈（Hyper-K）、欧洲的LBNO,韩国的RENO-50、印度的INO、以及即将建成的美国NOvA。其中JUNO，LBNE，PINGU，Hyper-K的竞争力较强。

LBNE将在南达科它州的Homestake建立1万吨的液氢探测器，探测1300 km外费米实验室产生的加速器中微子束流，通过中微子穿过地球时的物质效应来确定质量顺序，预期2022年建成，但进度与方案有较大不确定性。长基线加速器中微子实验对质量顺序的灵敏度严重依赖于CP破坏的大小。对CP破坏较大的一半参数空间，LBNE在10年内可将质量顺序确定到5倍标准偏差。对另一半参数空间则为2～5倍标准偏差。同样利用费米实验室的加速器产生中微子的还有即将建成的NOvA实验，它在730 km外的明尼苏达州建立5万吨的塑料闪烁体探测器，有1/4的几率（参数空间）将质量顺序测量到3倍标准偏差。

大气中微子也可以用来确定质量顺序。南极州的“冰立方”实验可以探测到大气中微子，体积为1 km3，即10亿t，但能量阂值太高，不能探测对质量顺序最灵敏的7 GeV左右的缪中微子。因此，美国计划在“冰立方”的中心重新建一个光电倍增管更密集，能探测到更多光子，因而能量阂值更低的实验，叫PINGU，其有效质量（100～1000）万t。3年的数据量可以测量质量顺序到3倍标准偏差以上。这些实验的主要难点在于能否精确地将光电倍增管部署到冰下的预期位置，以及能否精确理解光子在冰层中的传播过程。PINGU实验尚未批准。如果这些问题能解决，有可能成为测量质量顺序最快的实验。

继超级神冈之后，日本计划在原址旁新建超超级神冈（Hyper-K），质量从5万t提升到100万t。Hyper-K将探测来自295 km外日本散射中微子源（J-Parc）的中微子束流，主要目标是测量CP破坏。由于295 km的距离较短，地球物质效应不够显著，运行6～10年后也只对不到1/4的参数空间能将质量顺序测量到3倍标准偏差以上。Hyper-K也能探测大气中微子和超新星中微子。利用大气中微子对质量顺序的灵敏度更好，6～10年的数据，对大部分参数空间都能测量到3倍标准偏差以上。

在这些实验中，JUNO，LBNE，NOvA，INO己获批准，PINGU，Hyper-K有较大的可能被批准。这些实验涵盖了反应堆中微子、加速器中微子和大气中微子三种源，采用了不同的探测器技术。加速器实验用缪中微子束流，探测电子中微子的出现几率，灵敏度依赖于CP破坏相角。大气中微子探测缪中微子的消失几率，灵敏度依赖于θ23的八重度。反应堆中微子实验则与CP破坏相角和θ23的八重度无关，但对能量精度要求很高。预期到2025年左右，我们能够通过不同的手段基本上确定中微子的质量顺序。

江门中微子实验自2008提出设想，2013年得以正式立项，预期2020年建成运行，6年后可将质量顺序确定到3～4倍标准偏差。除了质量顺序外，江门实验在精确测量混合参数、研究地球中微子上具有独一无二的优势，在超新星中微子、太阳中微子和惰性中微子上也具有自己的特点和优势。

4.3 实验设计及进展

江门中微子实验站位于广东省江门市开平市，距广东阳江和台山反应堆群约5.3 km。阳江核电站共规划6个反应堆，1个己投入商业运行，5个在建，总热功率为17.4 GW。台山核电站共规划4个反应堆，2个在建，总热功率18.4 GW。由于中微子与物质的相互作用截面非常小，难于探测。探测到的中微子数正比于反应堆的总热功率和探测器的有效质量。阳江与台山核电站有效的反台山核电站有效的反应堆群功率世界第一，江门中微子实验的2万吨探测器每天也只能探测到约60个反应堆中微子。

由于中微子事例稀少，相对而言，宇宙线本底的影响将非常严重。因此必须将探测器置于比较深的地下，通过顶上的岩石覆盖阻挡宇宙线。江门中微子实验的探测器设计为位于地下700 m。通过初步的模拟计算，宇宙线流强为0.003 Hz/m2，比地表降低了5万倍。初步的分析表明可以将本底控制在合理的范围内，对实验灵敏度影响较小。实验站选址处的山高约300 m，进入隧道初步设计方案为竖井加斜井方案。

江门中微子实验站与上述各核电站的地理位置如图5示。中微子事例数反比于探测器与反应堆距离的平方，大亚湾核电站及可能的陆丰或惠州核电站距江门中微子实验站距离为200多公里，因此探测器中来自这两个反应堆群的中微子只占百分之几，对实验的干扰很小。

江门中微子实验站的探测器有效质量为2万t液体闪烁体。其设计原理与核心技术与大亚湾中微子实验类似，但技术要求和难度要大得多。探测器的初步设计方案如图6所示。球形的中微子探测器中心为2万t液体闪烁体，由直径为35.4 m的有机玻璃容器隔开。由于探测器巨大，液体闪烁体的透明度是关键的因素，因此计划采用不掺杂的普通液体闪烁体，配方同大亚湾实验。外层为白油屏蔽层，厚1.5 m，盛于直径为39 m的不锈钢罐内。15000个50 cm直径的光电倍增管安装在白油屏蔽层内。由于机械难度大，现在有几种不同的探测器设计方案在考虑中。中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2 m以上的水包围以屏蔽本底。在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器；水池的内壁上安放光电倍增管以探测宇宙线。

江门中微子实验己完成地质详勘和地下实验室方案设计，各项研发正在进行中。

5 其他中微子实验研究

5.1 无中微子双贝塔衰变

无中微子双贝塔实验是一类极为重要的中微子实验。如果发现了这种现象，则说明中微子与其他费米子都不同，是马约拉纳粒子。现在有十多个实验，利用不同的探测技术和不同的同位素进行研究，例如Gerda，CUORE，NEMO等等。这类实验对技术的要求非常高，需要长期积累，国内没有相关研究，因此我们通过国际合作参加了美国EXO实验。EXO是其中竞争力最强的实验之一它利用液氙（136Xe）同时作为双贝塔衰变核素和探测介质，在极低本底、实验规模化上有较大优势。目前EXO实验采用200 kg液氙，计划升级为nEXO，靶质量为5 t，并继续提高探测器性能.特别是有可能实现独有的Ba离子标记技术，原则上可排除所有其他核素产生本底。

5.2 加速器中微子前期研究

中微子的CP破坏与宇宙中正反物质不对称直接相关。测量CP破坏最直接的方法是比较正、反中微子振荡的差别。只有加速器中微子实验比较容易做到这一点。通过改变质子打靶后的聚焦磁场方向，可以选择性地聚焦正粒子还是反粒子，从而产生正中微子或反中微子束流。从探测器测得它们振荡几率的差别，就可以测得CP破坏相角。LBNE和Hyper-K实验可以测量CP破坏。如果CP破坏相角为0度或180度，则CP破坏效应为零，90度和270度处最大。到2032年，通过10年的测量，例如3年正中微子，7年反中微子，LBNE对1/4的参数空间可测量CP破坏到3倍标准偏差以上，而Hyper-K则有3/4的参数空间。

如果LBNE与Hyper-K未能测到CP破坏，将来需要更强大的“中微子工厂”来进行研究，而中微子工厂所需要的缪子冷却、再加速技术非常困难。最近我们提出了一种崭新的加速器中微子产生方法，初步设计了一个中微子束流线MOMENT[20]。该方法介于传统束流与中微子工厂之间，采用质子打靶产生π介子，通过超导磁铁收集几乎全部的π介子，将衰变产生的缪子输运至衰变管道中，缪子在超导螺旋管中衰变同时产生两种中微子。该方案回避了中微子工厂中难以实现的缪子冷却技术，又克服了常规束流中K介子衰变带来的束流本底，采用较低能量的中微子也可避免探测器中的π0本底，因此有可能有独到的优势。目前正在进行优化研究，有可能替代中微子工厂。

·高被引论文摘要·

被引频次：29

大亚湾反应堆中微子实验

王贻芳

中微子振荡是目前唯一超出粒子物理标准模型的新现象，它证明了中微子质量不为零，对粒子物理、天体物理与宇宙学均有非常重要的意义。在描述中微子振荡的6个参数中，目前仍有两个未知：交叉混合角θ13与CP相角δ。作者建议在大亚湾反应堆附近建设一个中微子实验站，测量混合角sin22θ13在90%的置信度下达到0.01的精度，较过去的实验提高近一个数量级。这将对中微子物理的未来发展提供方向性指导，特别是对理解宇宙中“反物质消失之谜”具有重要意义。

中微子；探测器；振荡；混合；反物质

来源出版物：物理, 2007, 36(3): 207-214

被引频次：16

硅光电二极管与电荷灵敏前置放大器在中微子实验中的设计应用研究

张志勇，刘正山，程昶，等

摘要：在台湾中微子实验项目先期研究中，用硅光电二极管测读中微子作用于CsI（Tl）晶体的光谱信号。介绍了结合硅光电二极管设计制作低噪声高分辨率电荷灵敏前置放大器的实验研究及其结果的能谱响应特性。

关键词：CsI（Tl）晶体；硅光电二极管；电荷灵敏前置放大器

来源出版物：核电子学与探测技术, 2002, 22(2): 136-165

被引频次：11

液体闪烁体衰减长度和光产额的测量

刘金昌，李祖豪，杨长根，等

摘要：简要介绍了用于反应堆中微子实验的液体闪烁体的成分，描述了液闪衰减长度和光产额的测量原理、方法、装置及过程，给出了不同配比的液闪的光产额和衰减长度的测量结果，并对液闪光产额和衰减长度的性能及影响因素进行了研究。测量结果表明，这些液闪可以满足中微子实验的需求。

关键词：液体闪烁体；光产额；衰减长度

来源出版物：高能物理与核物理, 2007, 31(1): 76-79

被引频次：11

中微子振荡实验——超出标准模型的实验检验（Ⅰ）

何景棠

摘要：文章总结了中微子振荡实验的历史和现状。介绍了几个太阳中微子丢失实验的结果和几个大气μ中微子丢失实验结果。这些结果表明存在中微子振荡，即中微子具有质量。它是超出标准模型的信号。文章还介绍了21世纪初研究中微子振荡的若干重要实验，例如长基线中微子振荡实验以及建造μ子贮存环来产生高能电子中微子束进行中微子振荡的实验以及测量中微子振荡时的CP破坏的设想。

关键词：中微子丢失；中微子振荡；标准模型

来源出版物：物理, 2001, 30(2): 74-80

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变加速直线运动黑洞中Weyl中微子的Hawking辐射

吴双清，曾瑜，蔡勖

摘要：利用推广的乌龟坐标变换法研究了作变加速直线运动的Kinnersley黑洞中Weyl中微子的量子热效应，导出了局部的事件视界面方程和Hawking温度以及中微子的热辐射谱。结果表明视界的位置和温度不仅随时间变化，而且明显依赖于方位角。

关键词：Hawking辐射；Weyl中微子；动态Kinnersley黑洞；广义乌龟坐标变换

来源出版物：物理学报, 2003, 52(6): 1340-1345

被引频次：6

中微子质量和中微子振荡实验

何景棠

摘要：本文介绍中微子质量测量的历史和现状。介绍太阳中微子丢失实验的结果和大气μ中微子丢失实验结果。这些结果表明存在中微子振荡，即中微子具有质量。它是超出标准模型的信号。本文还介绍了21世纪初研究中微子振荡的若干重要实验，例如长基线中微子振荡实验以及建造μ子贮存环来产生高能电子中微子束进行中微子振荡的实验以及测量中微子振荡时的CP破坏的设想。

关键词：中微子丢失；中微子振荡；标准模型

来源出版物：物理学进展, 2001, 21(2): 216-224

被引频次：6

中微子质量，宇称不守恒，中微子振荡及其他

倪光炯

摘要：中微子有静止质量是与宇称不守恒的实验事实相矛盾的。而假如它是超光速粒子而有非零的固有质量（如近年来实验数据所显示的那样），才能与宇称不守恒相容。文章从这个新观点讨论了有关中微子五个方面的研究课题。

关键词：中微子；质量；宇称；超光速粒子；快子

来源出版物：物理, 2002, 31(4): 255-257

被引频次：6

天体粒子物理——天文学与粒子物理学的交叉

顾以藩

摘要：天体粒子物理是一个正在迅速成长中的交叉领域。文章介绍了这个学科的若干近期进展。限于篇幅，选择讨论的内容涉及暗物质与残骸粒子、中微子天文学、γ射线天文学、宇宙线、宇宙微波背景与暴胀、早期宇宙等。

关键词：天体粒子物理；暗物质；中微子；γ射线；宇宙线；宇宙微波背景

来源出版物：物理, 2002, 31(6): 377-384

被引频次：4

大亚湾与江门中微子实验

曹俊

摘要：中微子物理是粒子物理中最活跃的分支之一，存在众多未解之谜，可能成为超出标准模型的新物理的突破口。本文总结了中微子物理的现状和主要的科学问题，着重介绍了我国正在进行的大亚湾中微子实验和建造中的江门中微子实验。通过研究反应堆中微子，2012年大亚湾实验发现新的中微子振荡，测得了中微子混合角θ13。本文介绍了大亚湾实验的物理背景和项目背景，简述了实验方法和设计思想，并描述了探测器设计和建造。许多新的想法和技术创新在探测器设计与建造中采用，使探测器相关的相对误差仅为0.2%。在未来几十年内，大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度。江门中微子实验2008年提出建议，2013年正式启动。通过在53 km处探测反应堆中微子振荡，它将能确定中微子质量顺序，并精确测量3个中微子混合参数。采用一个设计能量精度为3%的2×104t液体闪烁体探测器，江门实验在研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子、以及奇异现象寻找方面也极具吸引力。它将对多个物理目标进行国际领先水平的研究。文中我们介绍了实验设计和研发的进展。除了大亚湾和江门实验，我们也参与了无中微子双贝塔衰变实验EXO，设计了一个新式的加速器中微子束流线，进一步扩展了中微子研究。

关键词：中微子；中微子振荡；中微子混合；反应堆；大亚湾

来源出版物：中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44(10): 1025-1040

被引频次：3106

Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos

Fukuda, Y; Hayakawa, T; Ichihara, E; et al.

Abstract:参见本期“经典文献推荐”栏目.

被引频次：2789

Neutrino oscillations in matter

L. Wolfenstein

Abstract:参见本期“经典文献推荐”栏目.

被引频次：1588

First results from KamLAND: Evidence for reactor antineutrino disappearance

Eguchi, K; Enomoto, S; Furuno, K; et al.

Abstract:KamLAND has measured the flux of (nu) over bar (e)’s from distant nuclear reactors. We find fewer (nu) over bar (e) events than expected from standard assumptions about (nu) over bar (e) propagation at the 99.95% C.L. In a 162 ton.yr exposure the ratio of the observed inverse beta-decay events to the expected number without (nu) over bar (e) disappearance is 0.611+/-0.085(stat)+/-0.041(syst) for (nu) over bar (e) energies ＞3.4 MeV. In the context of two-flavor neutrino oscillations with CPT invariance, all solutions to the solar neutrino problem except for the “large mixing angle” region are excluded.

Keywords:neutron fission-products; spectrum

来源出版物：Physical Review Letters, 2003, 90(2): 020802

被引频次：1401

Resonance enhancement of oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy

Mikheev, SP; Smirnov, AY

Abstract:In this paper, we study aphoton, a massive charged particle, and a massive neutrino passing through matter. The hypothetical left-right symmetric weak interaction, which is used in Wolfenstein’s equation can generate the resonance enhancement of neutrino oscillations in matter, which disappears when neutrinos go out into vacuum from matter(the Sun). It is shown that since standard weak interactions cannot generate masses, the laws of conservation of the energy and the momentum of neutrino in matter will be fulfilled only if the energyWof polarization of matter by the neutrino or the corresponding term in Wolfenstein’s equation, is zero. This result implies that neutrinos cannot generate permanent polarization of matter. This leads to the conclusion: resonance enhancement of neutrino oscillations in matter does not exist. It is also shown that in standard weak interactions the Cherenkov radiation cannot exist.

来源出版物：Soviet Journal of Nuclear Physics-Ussr, 1985, 42(6): 913-917

被引频次：1192

Resonant amplification of ν oscillations in matter and solar-neutrino spectroscopy

Mikheyev, SP; Smirnov, AY

Abstract:For small mixing angles θ the amplification of ν oscillations in matter has the resonance form (resonance in neutrino energy or matter density). In the Sun resonance effect results in nontrivial changing (suppression) of ν-flux for a wide range of neutrino parameters Δm2=(3·10−4÷10−8) (eV)2, sin22θ＞10−4.

来源出版物：Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C-Geophysics and Space Physics, 1986, 9(1):17-26

被引频次：910

Tri-bimaximal mixing and the neutrino oscillation data

Harrison, PF; Perkins, DH; Scott, WG

Abstract:Following recent results from the SNO solar neutrino experiment and the K2K long-baseline neutrino experiment, the combined existing data on neutrino oscillations now point strongly to a specific form for the lepton mixing matrix, with effective bimaximal mixing of upsilon(mu) and upsilon(tau) at the atmospheric scale and effective trimaximal mixing for upsilon(e) with upsilon(mu) and upsilon(tau) at the solar scale (hence ‘tri-bimaximal’ mixing). We give simple mass-matrices leading to tri-bimaximal mixing, and discuss its relation to the Fritzsch-Xing democratic ansatz.

Keywords:quark mass matrices; permutation symmetry; cp violation; (nu)over-bar(mu)-＞(nu)over-bar(e) oscillations; LSND experiment; matter; model; flux

来源出版物：Physics Letters B, 2002, 530(1-4): 167-173

被引频次：838

Solar B-8 and hep neutrino measurements from 1258 days of Super-Kamiokande data

Fukuda, S; Fukuda, Y; Ishitsuka, M

Abstract:Solar neutrino measurements from 1258 days of data from the Super-Kamiokande detector are presented. The measurements are based on recoil electrons in the energy range 5.0-20.0 MeV. The measured solar neutrino flux is 2.32+/-0.03(stat)(+0.08)(-0.07) (syst)× 10(6) cm(-2) s(-1) which is 45.1 +/- 0.5 (stat)(+1.6)(-1.4)(syst)% of that predicted by the BP2000 SSM. The day vs nieht flux asymmetry (Phi (n)-Phi (d))/Phi (average) is 0.033+/-0.022(stat)(+0.013)(-0.012)(syst). The recoil electron energy spectrum is consistent with no spectral distortion. For the hep neutrino flux, we set a 90% C.L. upper limit of 40×103cm-2/s which is 4.3 times the BP2000 SSM prediction.

Keywords:decay; oscillations; spectrum; flux; beta

来源出版物：Physical Review Letters, 2001, 86(25): 5651-5655

被引频次：823

Measurement of day and night neutrino energy spectra at SNO and constraints on

neutrino mixing parameters

Ahmad, QR; Allen, RC; Andersen, TC; et al.

Abstract:The Sudbury Neutrino Observatory (SNO) has measured day and night solar neutrino energy spectra and rates. For charged current events, assuming an undistorted B-8 spectrum, the night minus day rate is 14.0%+/-6.3%(+1.5)(-1.4) % of the average rate. If the total flux of active neutrinos is additionally constrained to have no asymmetry, the nu(e) asymmetry is found to be 7.0%+/-4.9%(+1.3)(-1.2)%. A global solar neutrino analysis in terms of matter-enhanced oscillations of two active flavors strongly favors the large mixing angle solution.

Keywords:oscillations; predictions; detector; matter; B-8

来源出版物：Physical Review Letters, 2002, 89(1): 011302

被引频次：821

Observation of electron-antineutrino disappearance at daya bay

F. P. An; J. Z. Bai; A. B. Balantekin; et al.

Abstract:The Daya Bay Reactor Neutrino Experiment has measured a nonzero value for the neutrino mixing angle 0(13) with a significance of 5.2 standard deviations. Antineutrinos from six 2.9 GW(th) reactors were detected in six antineutrino detectors deployed in two near (flux-weighted baseline 470 m and 576 m) and one far (1648 m) underground experimental halls. With a 43 000 ton-GW(th)-day live-time exposure in 55 days, 10416 (80376) electron-antineutrino candidates were detected at the far hall (near halls). The ratio of the observed to expected number of antineutrinos at the far hall is R=0.940+/-0.011(stat.)+/-0.004(syst.). A rate-only analysis finds sin(2)2 theta(13) = 0.092+/-0.016(stat.) +/-0.005(syst.) in a three-neutrino framework.

Keywords:loaded liquid scintillator; neutron fission-products; reactor; spectra; oscillations; theta(13); PU-239

来源出版物：Physical Review Letters, 2012, 108(17): 171803

被引频次：816

Evidence for neutrino oscillations from the observation of (nu)over-bar(c) appearance in a (nu)over-bar(mu) beam

Aguilar, A; Auerbach, LB; Burman, RL; et al.

Abstract:A search for＜ (＜nu＞) over bar＞ (mu)-＞＜(＜nu＞)over bar＞(e) oscillations was conducted by the Liquid Scintillator Neutrino Detector at the Los Alamos Neutron Science Center using ＜(＜nu＞) over bar＞(mu) from mu (+) decay at rest. A total excess of 87.9+/-22.4+/-6.0 events consistent with ＜ (＜nu＞) over bar＞ (e)p-＞e(+) n scattering was observed above the expected background. This excess corresponds to an oscillation probability of (0.264+/-0.067+/-0.045) %, which is consistent with an earlier analysis. In conjunction with other known limits on neutrino oscillations, the LSND data suggest that neutrino oscillations occur in the 0.2-10 eV2/c4Deltam(2) range, indicating a neutrino mass greater than 0.4 eV/c2.

Keywords:random-phase-approximation; (nu)over-bar(mu)-＞(nu)over-bar(e) oscillations; atmospheric neutrinos; sterile neutrinos; LSND experiment; dark-matter; solar; C-12; search; decay

来源出版物：Physical Review D, 2001, 64(11): 112007

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神秘的中微子

王贻芳

摘要：中微子是近年来科学界的热门话题之一，2001年加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO）的观测结果和2002年SNO与日本KamLAND实验的结果，均证实中微子可以发生振荡，即中微子质量不为零。这在科学上具有重要意义，它要求修改粒子物理的标准模型，预示着存在超出标准模型的新物理，如轻子数不守恒、质子衰变等。因此，中微子物理的进展连续两年被美国的《科学》周刊等国内外媒体评为当年十大科技新闻。2002年由于在“探测宇宙中微子”上的贡献,美国化学家戴维斯（R.Davis, Jr.)与日本物理学家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba)获得诺贝尔物理学奖。

关键词：中微子；中微子振荡；中微子质量

来源出版物：科学, 2003, 36(3): 207-214

天山射电实验探测极高能中微子和宇宙线

张建立，张毅

摘要：宇宙中微子正开启一个电磁波观测宇宙之外的全新窗口。然而，传统的中微子探测手段由于造价过高，导致探测器有效面积不足或观测时间有限等问题，不便于进行高能中微子（一般认为能量大于1015 eV为超高能，能量大于1018 eV为极高能）的观测。射电阵列，采用造价低、全天候观测的射电天线，可以建造大面积的观测阵列，达到极高能中微子天文学和极高能宇宙线探测所需的高灵敏度。在科技部国家重点基础研究发展计划项目“宇宙第一缕曙光探测”的资助下，原型阵列TREND（天山射电探测中微子探测器）在2011—2012年的运行过程中取得了重要的成果，仅依靠单极化接收天线阵列，首次证明了不依赖于传统粒子探测器的自触发射电探测方式可以对高能粒子大气簇射进行有效探测。我们计划建造一个巨型天线阵列GRAND，这将是世界上1017 eV以上最灵敏的高能中微子望远镜，可以对高能中微子进行有效的观测。

关键词：高能中微子；射电探测；极高能宇宙线

来源出版物：中国科学：物理学 力学 天文学, 2015, 45(11): 119511联系邮箱：张毅，zhangyi@ihep.ac.cn

高能中微子天文观测进展

汪斌，黎卓

摘要：高能宇宙线在宇宙加速器中的产生和在宇宙空间的传播通常会伴随高能中微子的产生.高能中微子天文学是了解高能天体物理现象的独特的窗口。最近，位于南极的立方公里级的中微子探测器IceCube探测到了一批高能（＞Te V)事例，在5.7σ的置信度之上排除了大气背景的起源。这是人类第一次探测到的来自地外的高能中微子事例，开启了人类探索宇宙的一个新的窗口，标志着高能中微子天文学的诞生。本文简要介绍了高能中微子的探测历史,高能中微子探测器（特别是IceCube）的探测原理及现状，IceCube中微子探测结果，中微子起源的理论探讨以及高能中微子天文的未来展望。

关键词：中微子；宇宙线；IceCube

来源出版物：中国科学：物理学 力学 天文学, 2015, 2015, 45(11): 119508联系邮箱：黎卓，zhuo.li@pku.edu.cn

大亚湾中微子探测器能量响应非线性的研究

阳马生，于泽源，Soeren Jetter

摘要：大亚湾反应堆中微子实验利用大型液体闪烁体探测器探测来自反应堆的中微子。液体闪烁体探测器的能量响应非线性研究是准确重建能量的关键。论文详细论述了能量非线性的来源及测量方法，包括在探测器中利用不同能量的γ源进行刻度，利用本底事例进行刻度，以及在实验室开展的针对不同非线性来源的独立测量，最后通过联合拟合的方法给出测量结果并加以讨论。

关键词：中微子振荡；大亚湾中微子实验；能量响应非线性

来源出版物：核电子学与探测技术, 2014, 34(6): 679-683联系邮箱：于泽源，yuzy@ihep.ac.cn

大爆炸核合成与宇宙背景中微子

曹云，邢志忠

摘要：文章基于大爆炸宇宙学描述了发生于宇宙早期的中微子退耦与轻核素合成事件。退耦后的中微子形成宇宙的背景之一。文章介绍了几种探测宇宙背景中微子的方法，侧重于利用β衰变核俘获超低动能的中微子。

关键词：宇宙背景中微子；大爆炸核合成；β衰变

来源出版物：物理, 2013, 42(7): 496-504

大亚湾反应堆中微子实验的快中子本底研究

李登杰，张一纯，张子平

摘要：在大亚湾反应堆中微子实验反电子中微子信号残留快中子本底估算的研究中，可以通过对仅经过内水池探测系统的μ子致散裂快中子的分析，实现对快中子快信号能谱的测定。给出快中子的快信号各类本底信噪比和能谱，进而确定可以用线性外推法对反电子中微子信号中的残留快中子本底数目进行估算。

关键词：中微子振荡；快中子；本底研究

来源出版物：中国科学技术大学学报, 2013, 43(9): 709-713联系邮箱：张子平，zpz@ustc.edu.cn

Neutrino mass, mixing and oscillations

K. Nakamura; S.T. Petcov

Abstract:The experiments with solar, atmospheric, reactor and accelerator neutrinos have provided compelling evidences for oscillations of neutrinos caused by nonzero neutrino masses and neutrino mixing. The data imply the existence of 3-neutrino mixing in vacuum. We review the theory of neutrino oscillations, the phenomenology of neutrino mixing, the problem of the nature-Dirac or Majorana, of massive neutrinos, the issue of CP violation in the lepton sector, and the current data on the neutrino masses and mixing parameters. The open questions and the main goals of future research in the field of neutrino mixing and oscillations are outlined.

Keywords:neutrino oscillation; neutrino mixing; CP violation

来源出版物：Chinese Physics C, 2014, 09: 235-258

Global analysis of neutrino masses and mixing

G. L. Fogli; E. Lisi; A. Marrone; et al.

Abstract:We review the current status of neutrino mass and mixing parameters, as derived from an up-to-date phenomenological analysis of world neutrino oscillation and non-oscillation data, performed within the standard three-neutrino mixing framework.

Keywords:neutrino masses and mixing; neutrino flavor oscillations; global data analysis

来源出版物：Progress in Particle & Nuclear Physics, 2006, 57(1): 71-78

phenomenology with massive neutrinos

M.C.Gonzalez-Garcia; M. Maltoni

Abstract:The current status and some perspectives of the phenomenology of massive neutrinos is reviewed. We start with the phenomenology of neutrino oscillations in vacuum and in matter. We summarize the results of neutrino experiments using solar, atmospheric, reactor and accelerator neutrino beams. We update the leptonic parameters derived from the three-neutrino oscillation interpretation of this data. We describe the method and present results on our understanding of the solar and atmospheric neutrino fluxes by direct extraction from the corresponding neutrino event rates. We present some tests of different forms of new physics which induce new sources of leptonic flavor transitions in vacuum and in matter which can be performed with the present neutrino data. The aim and potential of future neutrino experiments and facilities to further advance in these fronts is also briefly summarized. Last, the implications of the LSND observations are discussed, and the status of extended models which could accommodate all flavor-mixing signals is presented in the light of the recent results from MiniBooNE.

来源出版物：Physics Reports, 2007, 460(1-3):1-129

Neutrino oscillation studies with reactors

P. Vogel; L. J. Wen; C. Zhang

Abstract:Nuclear reactors are one of the most intense, pure, controllable, cost-e_ective, and well-understood sources of neutrinos. Reactors have played a major role in the study of neutrino oscillations, a phenomenon that indicates that neutrinos have mass and that neutrino avors are quantum mechanical mixtures. Over the past several decades reactors were used in the discovery of neutrinos, were crucial in solving the solar neutrino puzzle, and allowed the determination of the smallest mixing angle theta 13. In the near future, reactors will help to determine the neutrino mass hierarchy and to solve the puzzling issue of sterile neutrinos.

Keywords:physics of elementary particles and fields neutrino; oscillation; nuclear

来源出版物：Nature Communications, 2014, 6(4): 6935

Search for sub-eV sterile neutrinos in the precision multiple baselines reactor antineutrino oscillation experiments

Luo, Shu

Abstract:According to different effects on neutrino oscillations, the unitarity violation in the MNSP matrix can be classified into the direct unitarity violation and the indirect unitarity violation which are induced by the existence of the light and the heavy sterile neutrinos respectively. of which sub-eV sterile neutrinos are of most interesting. We study in this paper the possibility of searching for sub-eV sterile neutrinos in the precision reactor antineutrino oscillation experiments with three different baselines at around 500 m, 2 km and 60 km. We find that the antineutrino survival probabilities obtained in the reactor experiments are sensitive only to the direct unitarity violation and offer very concentrated sensitivity to the two parameters theta(14) and Delta m(41)(2). If such light sterile neutrinos do exist, the active sterile mixing angle theta(14) could be acquired by the combined rate analysis at all the three baselines and the mass-squared difference Delta m(41)(2) could be obtained by taking the Fourier transformation to the L/E spectrum. Of course, for such measurements to succeed, both high energy resolution and large statistics are essentially important.

Keywords:number nonconservation; superstring models; mixing matrix; seesaw; mass; conservation; violation; scale

来源出版物: Nuclear Physics B, 2015, 899: 312-327

Bayesian global analysis of neutrino oscillation data

Bergstroem, Johannes; Gonzalez-Garcia, M. C; Maltoni, Michele; et al.

Abstract:We perform a Bayesian analysis of current neutrino oscillation data. When estimating the oscillation parameters we find that the results generally agree with those of the chi (2) method, with some differences involving s (23) (2) and CP-violating effects. We discuss the additional subtleties caused by the circular nature of the CP-violating phase, and how it is possible to obtain correlation coefficients with s (23) (2). When performing model comparison, we find that there is no significant evidence for any mass ordering, any octant of s (23) (2) or a deviation from maximal mixing, nor the presence of CP-violation.

Keywords:neutrino physics; solar and atmospheric neutrinos

来源出版物: Journal of High Energy Physics, 2015, 9: 1-25

Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6×1020protons on target

Abe, K; Adam, J; Aihara, H

Abstract:We report on measurements of neutrino oscillation using data from the T2K long-baseline neutrino experiment collected between 2010 and 2013. In an analysis of muon neutrino disappearance alone, we find the following estimates and 68% confidence intervals for the two possible mass hierarchies: normal hierarchy: sin(2)theta(23) = 0.514(-0.055)(+0.056) and Delta m(32)(2)=(2.51+/-0.10)×10-3eV2/c4and inverted hierarchy: sin2theta(23)=0.511+/-0.055 and Delta m(13)(2)=(2.48+/-0.10)×10(-3) eV2/c4. The analysis accounts for multinucleon mechanisms in neutrino interactions which were found to introduce negligible bias. We describe our first analyses that combine measurements of muon neutrino disappearance and electron neutrino appearance to estimate four oscillation parameters, vertical bar Delta m(2)vertical bar, sin(2)theta(23), sin(2)theta(13,) delta(CP), and the mass hierarchy. Frequentist and Bayesian intervals are presented for combinations of these parameters, with and without including recent reactor measurements. At 90% confidence level and including reactor measurements, we exclude the region delta (CP) = [0.15; 0.83] pi for normal hierarchy and delta (CP) = [-0.08; 1.09] pi for inverted hierarchy. The T2K and reactor data weakly favor the normal hierarchy with a Bayes factor of 2.2. The most probable values and 68% one-dimensional credible intervals for the other oscillation parameters, when reactor data are included, are sin2theta (23) =0.528(-0.055) (+0.038) and vertical bar Delta m (32) (2) vertical bar= (2.51+/-0.11) ×10-3eV2/c4.

Keywords:total cross-sections; super-kamiokande detector; quasi-elastic scattering; high-energy-physics; PION absorption; nucleus scattering; resonance region; delta-resonance; true absorption; charge-exchange

来源出版物：Physical Review D, 2015, 91(7): 072010

Extrinsic and intrinsic CPT asymmetries in neutrino oscillations

Ohlsson, Tommy; Zhou, Shun

Abstract:We reconsider the extrinsic and possible intrinsic CPT violation in neutrino oscillations, and point out an identity, i.e., A (alpha beta) (CP) = A (beta alpha) (CPT) + A (alpha beta) (T), among the CP, T, and CPT asymmetries in oscillations. For three-flavor oscillations in matter of constant density, the extrinsic CPT asymmetries A (ee) (CPT), A (e mu) (CPT), A (mu e) (CPT), and A (mu mu) (CPT) caused by Earth matter effects have been calculated in the plane of different neutrino energies and baseline lengths. It is found that two analytical conditions can be implemented to describe the main structure of the contours of vanishing extrinsic CPT asymmetries. Finally, withoutassuming intrinsic CPT symmetry in the neutrino sector, we investigate the possibility to constrain the difference of the neutrino CF-violating phase and the antineutrino one (delta) over bar using a low-energy neutrino factory and the super-beam experiment ESS nu SB. We find thatdelta-(delta) over barless than or similar to 0.35 pi in the former case anddelta-(delta) over bar less than or similar to 0.7 pi in the latter case can be achieved at the 3 sigma confidence level if delta= (delta) over bar=pi/2 is assumed.

Keywords:line-experiment-simulator; quark mass matrices; super-Kamiokande; T-violation; matter; earth; model

来源出版物：Nuclear Physics B, 2015, 893: 482-500

Status of three-neutrino oscillation parameters, circa 2013

Capozzi, F; Fogli, GL; Lisi, E; et al.

Abstract:The standard three-neutrino (3v) oscillation framework is being increasingly refined by results coming from different sets of experiments, using neutrinos from solar, atmospheric, accelerator and reactor sources. At present, each of the known oscillation parameters [the two squared mass gaps (8m(2), triangle m(2) and the three mixing angles d. 12;. 13;. 23 is dominantly determined by a single class of experiments. Conversely, the unknown parameters (the mass hierarchy, the. 23 octant and the CP- violating phase d) can currently be constrained only through a combined analysis of various (eventually all) classes of experiments. In the light of recent new results coming from reactor and accelerator experiments, and of their interplay with solar and atmospheric data, we update the estimated Ns ranges of the known 3. parameters and revisit the status of the unknown ones. Concerning the hierarchy, no significant difference emerges between normal and inverted mass ordering. A slight overall preference is found for. 23 in the first octant and for nonzero CP violation with sin＜0; however, for both parameters, such preference exceeds 1s only for normal hierarchy. We also discuss the correlations and stability of the oscillation parameters within different combinations of data sets.

Keywords:line-experiment-simulator; neutrino

来源出版物：Physical Review D, 2014, 89(9): 093018

Measurement of neutrino and antineutrino oscillations using beam and atmospheric data in MINOS

Adamson, P; Anghel, I; Backhouse, C; et al.

Abstract:We report measurements of oscillation parameters from v(mu) and (v) over bar (mu) disappearance using beam and atmospheric data from MINOS. The data comprise exposures of 10.71×10(20) protons on target in the v(mu)-dominated beam, 3.36×10(20) protons on target in the (v) over bar (mu)-enhanced beam, and 37.88 kton yr of atmospheric neutrinos. Assuming identical v and (v) over bar oscillation parameters, we measure vertical bar Delta m(2)vertical bar=(2.41(-0.10)(+0.09))×10-3eV (2) and sin(2)(2 theta)=0.950(-0.036) (+0.035). Allowing independent v and (v) over bar oscillations, we measure antineutrino parameters of vertical bar(m) over bar (2)vertical bar=(2.50(-0.250)(+0.23))×10-3eV2and sin2(2 (theta) over bar) = 0.97(-0.08)(+0.03), wit minimal change to the neutrino parameters.

来源出版物：Physical Review Letters, 2013, 111(25): 251801

Dark matter, baryogenesis and neutrino oscillations from right-handed neutrinos

Canetti, Laurent; Drewes, Marco; Frossard, Tibor

Abstract:We show that, leaving aside accelerated cosmic expansion, all experimental data in high energy physics that are commonly agreed to require physics beyond the Standard Model can be explained when completing the model by three right-handed neutrinos that can be searched for using present-day experimental techniques. The model that realizes this scenario is known as the Neutrino Minimal Standard Model (nu MSM). In this article we give a comprehensive summary of all known constraints in the Nu MSM, along with a pedagogical introduction to the model. We present the first complete quantitative study of the parameter space of the model where no physics beyond the Nu MSM is needed to simultaneously explain neutrino oscillations, dark matter, and the baryon asymmetry of the Universe. The key new point of our analysis is leptogenesis after sphaleron freeze-out, which leads to resonant dark matter production, thus evading the constraints on sterile neutrino dark matter from structure formation and x-ray searches. This requires one to track the time evolution of left-and right-handed neutrino abundances from hot big bang initial conditions down to temperatures below the QCD scale. We find that the interplay of resonant amplifications, CP-violating flavor oscillations, scatterings, and decays leads to a number of previously unknown constraints on the sterile neutrino properties. We furthermore reanalyze bounds from past collider experiments and big bang nucleosyn thesis in the face of recent evidence for a nonzero neutrino mixing angle theta(13). We combine all our results with existing constraints on dark matter properties from astrophysics and cosmology. Our results provide a guideline for future experimental searches for sterile neutrinos. A summary of the constraints on sterile neutrino masses and mixings has appeared in Canetti et al.

Keywords:model Higgs-boson; sterile neutrinos; electroweak Baryogenesis; transport-equations; finite-temperature; NU-MSM; X-ray; kinetic description; quantum-mechanics; baryon asymmetry

来源出版物：Physical Review D, 2013, 87(9): 093006

编辑：卫夏雯

The effect of coherent forward scattering must be taken into account when considering the oscillations of neutrinos traveling through matter. In particular, for the case of massless neutrinos for which vacuum oscillations cannot occur, oscillations can occur in matter if the neutral current has an off-diagonal piece connecting different neutrino types. Applications discussed are solar neutrinos and a proposed experiment involving transmission of neutrinos through 1000 km of rock.来源出版物: Physical Review D, 1978, 17(9): 2369-2374Evidence for oscillation of atmospheric neutrinosFukuda, Y; Hayakawa, T; Ichihara, E; et al.Abstract:We present an analysis of atmospheric neutrino data from a 33.0 kton yr (535-day) exposure of the Super-Kamiokande detector. The data exhibit a zenith angle dependent deficit of muon neutrinos which is inconsistent with expectations based on calculations of the atmospheric neutrino flux. Experimental biases and uncertainties in the prediction of neutrino fluxes and cross sections are unable to explain our observation. The data are consistent, however, with two-flavor νμ↔ντ oscillations with sin22θ＞0.82 and 5×10−4＜Δm2＜6×10−3eV2at 90% confidence level.

flux; detector; matter; decay

典

文章题目第一作者来源出版物1 Neutrino oscillations in matter L. Wolfenstein Physical Review D, 1978, 17(9): 2369-2374 2 Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos Fukuda, Y Physical Review Letters, 1998, 81(8): 1562-1567 3 Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station Apollonio, M European Physical Journal C, 2003, 27(3): 331-374 4 Neutrino oscillations in matter T. K. Kuo Reviews of Modern Physics, 1989, 61(4): 937-979 5 Phenomenology of neutrino oscillations Bilenky, SM Progress in Particle and Nuclear Physics, 1999, 43: 1-86

Neutrino oscillations in matter

L. Wolfenstein

摘编自《中国科学：物理学 力学 天文学》，2014年44卷10期：1025～1040页，图、表、参考文献已省略。