第三类中微子振荡的发现——2016年自然科学一等奖简介

本刊资料室

第三类中微子振荡的发现
——2016年自然科学一等奖简介

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2016年国家自然科学一等奖授予“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”， 表彰中国科学院高能物理研究所王贻芳院士为首的合作团队发现第三类中微子振荡，从而可能有助揭开物质世界许多未知秘密，例如宇宙中“反物质”消失之谜等．

1 中微子及其“味”的发现

中微子像质子、中子、电子一样，是基本粒子的一种．

1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设．1956年，柯温(C.L.Cowan)和弗雷德里克·莱因斯利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应：第一次从实验上得到中微子存在的证据．

1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家利昂·M·莱德曼(L．Ledman)等人发现了中微子有“味”的属性，证实了μ子中微子和电子中微子是不同的中微子．他们也因此获得1988年的诺贝尔物理学奖．2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据．

2 中微子振荡

1957年理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫((B． Pontecorvo)提出中微子振荡的概念，中微子可在不同“味”之间发生转换．

1998年，日本的超级神冈实验(SuperKamiokande)以确凿的证据发现中微子存在振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释．中微子发生振荡的前提条件就是质量不为零和中微子之间存在混合．

雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊因在中微子天文学的开创性贡献而获得2015年诺贝尔物理学奖．

太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象属于第一类中微子振荡(电子中微子与μ子中微子之间的转换)与第二类中微子振荡(电子中微子与τ子中微子之间的转换)，从理论上来说还应存在第三类中微子振荡，即μ子中微子与τ子中微子之间的转换．

3 大亚湾中微子实验：第三类中微子振荡的发现

在第一类中微子振荡(电子中微子与μ子中微子之间的转换)与第二类中微子振荡(电子中微子与τ子中微子之间的转换)发现后，全世界的粒子物理学者将目光聚焦于用反应堆中微子寻找第三类振荡的问题．

在这种激烈竞争的国际形势下，2007年10月，我国大亚湾反应堆中微子实验开工．由于中微子与其他物质的相互作用极小，中微子的探测器必须够大，以求能观测到足够数量的中微子．为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰，中微子的探测仪器时常设立在地底下．图1为大亚湾中微子实验大厅.

图1 大亚湾中微子实验大厅序

大亚湾实验合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾的38个研究机构、约270名研究人员组成．其中约150人来自境内单位的16个高校和研究所．

经过日以继夜的艰苦奋斗，2011年8月15日，大亚湾中微子实验1号厅开始取数；2011年11月5日，2号厅开始取数；2011年12月24日，3号厅开始取数；至此大亚湾中微子实验正式运行．在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析．结果表明中微子第三类振荡几率为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．

4 第三类中微子振荡发现的重大意义

国际合作组发言人王贻芳2012年3月8日在北京宣布(图2)，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡：并测量到其振荡几率．这一重要成果是对物质世界基本规律的一项新的认识，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”．

图2 王贻芳2012年3月8日在北京宣布第三类中微子振荡发现

大亚湾实验的结果不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，也决定了我们是否能够进行下一代中微子实验，以了解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中“反物质消失之谜”． 2012年12月20日，美国《科学》杂志公布了2012年度十大科学突破，大亚湾中微子实验发现中微子第三种振荡模式的成果上榜．《科学》的评价是，“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．”