中微子振荡与2015年诺贝尔物理学奖

周　顺

(中国科学院 高能物理研究所，北京　100049; 北京大学 高能物理研究中心，北京　100871)



中微子振荡与2015年诺贝尔物理学奖

周顺

(中国科学院 高能物理研究所，北京100049; 北京大学 高能物理研究中心，北京100871)

本文简要回顾中微子的发现历史，详细介绍大气和太阳中微子振荡实验和解释中微子振荡现象背后的物理机制，着重强调发现中微子振荡的重要物理意义.

诺贝尔奖；中微子振荡；中微子质量；轻子味混合；超出标准模型的新物理

今年，日本东京大学的梶田隆章教授(Takaaki Kaijita)与加拿大女王大学的阿瑟·布鲁斯·麦克唐纳教授(Arthur Bruce McDonald)共同获得诺贝尔物理学奖，因为他们分别领导超级神冈实验(Super-Kamiokande)和SNO实验(Sudbury Neutrino Observatory)发现了大气和太阳中微子振荡现象，而该现象证明中微子有质量.什么是中微子振荡？为什么它证明中微子有质量？中微子质量又有什么重要的物理意义呢？本文将围绕这三个问题来介绍中微子物理的发展历史、研究现状和未来前景.

1　中微子的发现

1914年，英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)观察到原子核的β衰变过程中末态的电子具有连续的能谱.当时，人们认为β衰变是由不稳定的原子核转变成另一原子核和一个电子的二体过程，那么电子能量由能量守恒定律完全确定，不会是连续变化的.为了解决电子连续能谱的问题，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niles Bohr)提出β衰变等微观过程中能量可能不守恒.1930年底，为了挽救能量守恒定律，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)大胆地假设在β衰变末态中还存在一个质量很小、自旋为1/2且电中性的粒子.正是因为这个中性粒子带走了部分能量且不在探测器中留下任何痕迹，所以电子能谱才是连续的.1933年，意大利物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)在查德威克发现中子之后将泡利假设的中性粒子命名为中微子，并基于中微子假设建立著名的四费米子相互作用理论[1].费米的理论可以有效地描述中微子与物质之间的弱相互作用，并为之后寻找中微子的实验奠定了基础.

在提出中微子假设26年后的一天，泡利突然收到一封电报，其主要内容是“泡利教授，很高兴通知您，我们通过质子的逆β衰变过程确信无疑地探测到了核裂变反应产生的中微子”.据说，泡利特地为此开了一箱香槟来庆祝[2].这封电报是由美国物理学家弗雷德·莱因斯(Fredrick Reines)和克莱德·柯万(Clyde Cowan)发出的，他们迫不及待地要把这个激动人心的消息告诉提出中微子假设的泡利.我们知道，核反应堆是通过控制核裂变的链式反应来实现核能的和平利用，而铀-235等放射性元素的每一次核裂变反应会释放一定能量和一个反电子中微子.平均来讲，当核反应堆的热功率为1 MW时，每秒钟就有2×1017个反电子中微子产生，因此核反应堆是很强大的中微子源.根据费米的理论，核裂变中产生的反电子中微子会与探测器中的质子反应并生成中子和正电子.莱因斯和柯万领导的实验利用掺有镉元素的液体闪烁体作为探测器物质，正电子与电子湮没产生能量为0.5 MeV的光子，而中子在大约5 μs之后被镉原子核俘获产生9 MeV的光子.这些具有特定能量的光子会被分布在探测器周围的光电倍增管探测到，而且5 μs的时间间隔可以用来很好地排除实验背景.经过多年的努力，莱因斯和柯万的实验组终于在1956年用这种探测方法证明了反电子中微子的存在[3].

接下来，三位美国物理学家莱昂·里德曼(Leon Lederman)、梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦因伯格(Jack Steinberger)利用加速到很高能量的质子打靶的实验在1962年发现存在与μ轻子对应的μ中微子νμ，并证明它与同正电子e+一起产生的电子中微子νe是不同的粒子[4].而与τ轻子对应的τ中微子ντ是在2000年才被美国费米国家实验室的DONUT实验探测到[5]，它也是粒子物理标准模型中最后一个发现的费米子.至此，我们已经发现三种不同类型的中微子(νe，νμ，ντ)，也称作不同味或代的中微子，它们可以通过带电流弱相互作用产生且伴随着对应的带电轻子(e，μ，τ)，因此我们定义这种弱相互作用中产生的中微子的量子态为相互作用本征态或者味本征态.另外，每一种味的带电轻子和中微子都存在它们的反粒子.带电轻子的正反粒子具有相同的质量和相反符号的电荷，而中微子不带电，它的反粒子可能是其自身.证明中微子是否是其自身的反粒子是当前粒子物理实验的前沿热点问题，而为什么存在三代费米子也是当今粒子物理学中悬而未决的难题.

2　中微子振荡

来自核反应堆的电子型反中微子被发现之后，意大利物理学家布鲁诺·庞特科沃(Bruno Pontecorvo)在1957年就指出存在中微子-反中微子相互转化的可能性[6].在发现μ中微子的同一年，三位日本物理学家牧二郎(Ziro Maki)、中川正美(Masami Nakagawa)和坂田昌一(Shoichi Sakata)提出粒子基本结构的理论模型并预言不同味的两种中微子νe和νμ可以相互转变[7].虽然庞特科沃和牧二郎等人并非讨论中微子振荡，但是他们首先注意到不同类型的中微子之间可以相互转变，而这种转变正是中微子振荡实验观测到的现象.那什么是中微子振荡呢？接下来，我们依次介绍日本的超级神冈大气中微子实验和加拿大的SNO太阳中微子实验，并简述加速器和反应堆中微子振荡实验的重要性.

2.1大气中微子

为了解释大气中微子反常现象，物理学家们提出过很多不同的复杂理论，但最后证明中微子振荡是最简单且与实验观测符合得最好的解决方案.大气中微子的产生、传播和探测过程并不简单，但我们这里只考虑真空中两味中微子振荡的情况，这样可以更清楚地了解大气中微子振荡的主要物理图像.如果中微子有质量而且轻子味存在混合，那么它们的相互作用本征态就不是质量本征态，而是后者的线性组合.中微子的相互作用本征态|νμ〉和|ντ〉可表示为两个质量本征态|ν2〉和|ν3〉的线性叠加：

|νμ〉=+cosθ23|ν2〉+sinθ23|ν3〉

|ντ〉=-sinθ23|ν2〉+cosθ23|ν3〉

A(νμ→ντ)=〈ντ|ν(L)〉=

从上式中的振幅出发，我们就很容易推导出真空中两味中微子振荡的概率公式

2.3太阳中微子

与核反应堆的裂变反应不同，太阳内部发生的是核聚变反应，它是4个质子和2个电子形成一个氦原子核，并释放出26.7 MeV的能量和2个电子中微子.这个聚变过程可以通过不同的链式反应完成，而这些链式反应过程中会产生不同能谱的电子中微子.例如，太阳中微子中既包含能量低于0.4 MeV的pp中微子，也有高于10 MeV的硼-8中微子.在地球上，每秒钟穿过每平方厘米面积的太阳中微子有1011个，但是要捕捉到它们却很困难.1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)领导Homestake实验通过放射化学的方法第一次探测到太阳中微子，但是发现νe中微子的数量只有理论预期的三分之一[10].美国物理学家约翰·白考(John Bahcall)不断地改进太阳标准模型，考虑各种可能被忽略的细节，但是实验观测和理论预期的差别仍然存在.这种差别被SAGE，GALLEX/GNO，和超级神冈等其他太阳中微子实验证实,成为困扰物理学家几十年的太阳中微子丢失之谜.

1985年，华人物理学家陈华森(Herbert Hwa-sen Chen)在《物理评论快报》杂志上发表文章指出，利用重水做探测器物质可以解决太阳中微子丢失的问题[11].他的基本想法是不仅电子中微子νe与重水中的氘核反应产生两个质子和一个电子(即带电流弱相互作用)，所有三种类型的中微子都可以与氘核反应产生一个质子和一个中子(即中性流弱相互作用)，实验上可以通过区别这两种反应过程来确定电子中微子的数量和从太阳到达地球的所有类型中微子的总数.另外，三种中微子都可以与探测器中的电子发生弹性散射，但是电子中微子-电子的相互作用截面比其他类型中微子大6倍，所以弹性散射过程与带电流和中性流过程相互印证.这一新颖的想法立即被应用到在加拿大萨德伯里进行的SNO实验中，但陈华森在1987年因白血病不幸去世，没能等到SNO实验的重水探测器建成和运行.2001年，由麦克唐纳领导的SNO实验公布它们的实验结果，证明电子中微子确实只占中微子总数的三分之一，而且通过中性流相互作用确定中微子总数与太阳标准模型的理论预言完全一致[12].因此，我们不难看出SNO实验的结果的重要性：它模型无关地证明太阳中微子νe转变成其他类型的中微子νμ和ντ.

2.3反应堆和加速器中微子

除了大气和太阳中微子振荡，实验也观测到反应堆和加速器中微子振荡.在日本进行的KamLAND实验将探测器放在距核反应堆180 km的地方，发现反应堆中微子比预期的要少，对应的中微子混合角和质量平方差与解决太阳中微子丢失之谜的大混合角解(包括MSW物质)完全一致.另一方面，K2K和MINOS实验利用加速器产生GeV能量的νμ中微子，并在几百公里处发现中微子消失，从而验证了大气中微子振荡现象.值得一提的是，由中国科学院高能物理研究所的王贻芳研究员和美国加州大学伯克利分校的陆锦标教授领导的大亚湾反应堆中微子实验[15]率先精确地测量了最小的中微子混合角θ13≈8.5°，这一重要结果为将来的中微子振荡实验指明了方向，即确定中微子质量顺序和发现轻子部分CP破坏现象.正在我国广东省江门市建造的江门中微子实验(JUNO)的首要物理目标就是利用精确测量反应堆中微子的能谱来确定中微子质量是正序m1

3　中微子质量与新物理

中微子振荡完美地解释了所有太阳、大气、反应堆和加速器中微子实验中观测到中微子消失现象.中微子振荡现象的出现只要求中微子有不同的质量且轻子存在味混合，所以它是最简单且最令人信服的解决方案.然而，目前最成功的粒子物理标准模型却预言中微子质量为零，因此中微子质量和味混合是具有坚实的实验基础的超出标准模型的新物理[17].

如何产生中微子质量是基本粒子物理学中仍未解决的难题.我们知道，在标准模型中夸克和带电轻子场都具有左手和右手分量，它们与希格斯场通过汤川相互作用并在对称性自发破缺之后获得质量.类比夸克和带电轻子，我们也可以假设中微子是狄拉克粒子并引入右手中微子.为了保证中微子与其他费米子以同样的方式获得质量，我们不得不要求自然界存在一种基本规律，即轻子数守恒.只有这样，中微子和反中微子才可以像带电的费米子及其反粒子一样可以区分.但是，中微子也可能是其自身的反粒子，即马约拉纳(Majorana)粒子.在这种情况下，一些特定的原子核会发生无中微子双贝塔衰变，我们可以通过实验寻找这样的轻子数破坏过程来证明马约拉纳中微子的存在.确定中微子是狄拉克还是马约拉纳粒子对理解中微子质量起源至关重要.

除了质量起源，中微子物理还有很多重大基本问题亟待解答.中微子的绝对质量是多大？中微子与反中微子振荡行为是否完全一样？是否存在不参与任何相互作用的惰性中微子？轻子和夸克的质量与混合是否相互关联？中微子是否可以解决宇宙物质-反物质不对称问题？毫无疑问，这些基本问题的答案将指导我们如何扩充粒子物理标准模型并掀开粒子物理学研究的新篇章.

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Neutrino oscillations and Nobel Prize in physics 2015

ZHOU Shun

(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; Center for High Energy Physics, Peking University, Beijing 100871, China)

In this article, the history of neutrinos has been briefly reviewed. The atmospheric neutrino anomaly and solar neutrino problem are introduced, and neutrino oscillations as a perfect solution to those problems are discussed in some detail. Finally, the importance of neutrino masses and the remaining unanswered questions in neutrino physics are emphasized.

Nobel Prize; neutrino oscillations; neutrino masses; lepton flavor mixing; new physics beyond the standard model

2015-11-07

中组部“千人计划”青年人才项目资助

周顺(1982—)，男，湖北黄冈人，中国科学院高能物理研究所副研究员，理学博士，主要研究方向：粒子物理学理论，特别是中微子质量的起源和相关唯象学.

O 572.32+1

A

1000- 0712(2016)02- 0001- 04