中科院高能所曹俊談關(guān)于中微子的研究
（曹俊的博客）
中微子研究已有漫長歷史。從泡利1930年提出存在中微子的假說，迄今已有85年，從首次探測到中微子算起也有60年歷史。1998年日本超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，迎來了中微子研究的黃金時代，各種研究蓬勃發(fā)展，美國甚至停掉了除大型強子對撞機以外的其它大型實驗，將粒子物理研究的主要精力轉(zhuǎn)移到了中微子上。
1.中微子的發(fā)現(xiàn)
中微子的顯著特點就是幾乎不與物質(zhì)相互作用，因而穿透能力強，使得探測非常困難。中微子其實非常多，一個典型的核反應(yīng)堆每秒鐘產(chǎn)生6萬億億個中微子，每秒鐘有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體，宇宙大爆炸的殘余中微子充斥整個宇宙空間，每立方厘米大約330個。大多數(shù)核過程，以及高能宇宙線、巖石放射性、超新星爆炸等都會產(chǎn)生中微子，就連每個人都會因體內(nèi)的鉀-40衰變每天也要產(chǎn)生4億個中微子。
這些中微子幾乎自由地穿行，只有極少的一部分會被探測器捕獲，變成可觀測的粒子，因此現(xiàn)代的大型中微子實驗動輒上萬噸。江門中微子實驗使用2萬噸液體閃爍體，每天只能探測到60個反應(yīng)堆中微子，4個大氣中微子，1個地球中微子，以及90個硼-8太陽中微子。與之相比，作為本底的宇宙線則有10萬個，這還是將探測器放到地下700米，宇宙線流強降低了20萬倍后的結(jié)果。
自泡利預(yù)言中微子以來，人們嘗試了許多方法來尋找，其中包括王淦昌1941年提出的K電子俘獲方法，美國阿倫采用K俘獲方法得到了中微子存在的證據(jù)。但直到1956年，才由雷因斯和柯萬首次直接探測到中微子。
雷因斯和柯萬最初的想法是在原子彈試驗時，在靠近核爆中心的地下放一個探測器。因有人勸阻，他們改用穩(wěn)定的核反應(yīng)堆。第一個實驗在漢福特反應(yīng)堆進行，采用了300升液體閃爍體，這是當時最大的探測器。反應(yīng)堆中微子在探測器中發(fā)生-β衰變反應(yīng)，產(chǎn)生正電子和中子，短時間內(nèi)在液體閃爍體中先后形成兩個信號。由于宇宙線本底沒有屏蔽好，漢福特實驗的結(jié)論并不清晰，1953年他們發(fā)表論文說“可能”探測到了中微子。
第二個實驗是到薩瓦納河反應(yīng)堆傍做的。雷因斯和柯萬在距反應(yīng)堆11米、位于地下12米的地方，采用了更大的探測器，包括400公斤氯化鎘水溶液和4200升液體閃爍體。這次確鑿無疑地找到了中微子，測得的反應(yīng)截面與當時的理論符得合很好。恰巧，同年李政道和楊振寧提出宇稱不守恒，導(dǎo)致中微子反應(yīng)的理論截面增大了一倍。他們重新分析數(shù)據(jù)，又與新理論符合得很好，這引起了同行的非議。因此他們的工作過了39年才被授予諾貝爾獎。
發(fā)現(xiàn)第二種中微子的過程要簡單一些。1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格利用布魯克海汶實驗室的15GeV質(zhì)子加速器AGS，建立了世界上第一條中微子束流。質(zhì)子束流打擊鈹靶，產(chǎn)生大量π介子，π介子再衰變成一個繆子和一個中微子。由于質(zhì)子能量很高，這些次級粒子都沿原初質(zhì)子的方向前沖，但只有中微子才能穿透13.5米厚的鋼蔽屏層，到達10噸重的火花室探測器。中微子在探測器中發(fā)生核反應(yīng)，生成帶電輕子，從而被探測到。加速器產(chǎn)生的中微子數(shù)遠不如核反應(yīng)堆多，但能量要高幾百倍，而中微子發(fā)生反應(yīng)的截面大致正比于其能量，再加上加速器容易控制，因此比較干凈地探測到了中微子。他們發(fā)現(xiàn)中微子束流在探測器中只能產(chǎn)生繆子，而不能產(chǎn)生電子，說明這是一種新的中微子，即繆中微子。（繆子與繆中微子、電子與電子中微子之間分別存在輕子數(shù)守恒）他們因此獲得了1988年的諾貝爾獎。
1989年，歐洲核子研究中心通過Z0衰變截面的測量，證明存在且只存在3種中微子。最后一種中微子—陶中微子直到2000年才被美國費米實驗室的DONUT實驗發(fā)現(xiàn)。陶中微子的產(chǎn)生與探測都相當困難。他們將質(zhì)子由當時最強大的加速器加速到800GeV，打在一大塊鎢上，產(chǎn)生粲介子Ds，Ds的衰變可以產(chǎn)生一個陶輕子和一個反陶中微子。陶輕子再衰變成陶中微子，穿過36米的屏蔽層到達探測器。同樣，也只有中微子才能穿透屏蔽層。陶中微子在探測器中發(fā)生核反應(yīng)，生成陶輕子，從而被探測到。陶輕子的壽命非常短，不像繆子和電子能在探測器中形成長的徑跡，而是只有1毫米長。為了探測到它，DONUT采用了核乳膠技術(shù)，其主要成份就是傳統(tǒng)照相膠卷上的顯影成份溴化銀。陶輕子衰變成繆子或電子，可以從探測器中看到，在1毫米的徑跡后，緊跟著一條轉(zhuǎn)折后的長徑跡。這個留在核乳膠上的“轉(zhuǎn)折”是陶輕子的關(guān)鍵特征。DONUT共觀察到4個這樣的“轉(zhuǎn)折”，預(yù)期本底只有0.2個，因此確鑿地發(fā)現(xiàn)了陶中微子。
2.中微子振蕩
標準模型中中微子質(zhì)量為零，實驗上也沒有發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量偏離零的現(xiàn)象。龐蒂科夫、牧、中川、坂田等人在上世紀五、六十年代提出，假如中微子有小到難以察覺的質(zhì)量，且質(zhì)量本征態(tài)與味道本征態(tài)之間存在混合，就會出現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中能自發(fā)轉(zhuǎn)變成其它類型的中微子。中微子振蕩在本質(zhì)上是一種量子干涉現(xiàn)象。通過弱作用產(chǎn)生的中微子味道本征態(tài)（比如電子中微子），可看做是不同質(zhì)量本征態(tài)的疊加。由于中微子質(zhì)量極其微小，在接近光速的長距離飛行中，不同質(zhì)量本征態(tài)能一直保持相干而不退耦，從而在宏觀上表現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象。
中微子振蕩最早由戴維斯在探測太陽中微子時發(fā)現(xiàn)跡象。他于60年代末首次探測到來自太陽的中微子，證實了太陽能量來自核聚變，被授予2002年諾貝爾獎。此后進一步的測量發(fā)現(xiàn)，探測到的太陽中微子僅為預(yù)期的1/3，被稱為“太陽中微子丟失之謎”。1988年，梶田隆章與他的兩位導(dǎo)師在神岡實驗中發(fā)現(xiàn)大氣中微子也比預(yù)期少，又被稱為“大氣中微子反?！?。由于實驗數(shù)據(jù)精度不高，對中微子振蕩的理解也不深，這兩個實驗未被普遍接受為中微子振蕩的證據(jù)。
1987年神岡實驗與美國IMB實驗探測到超新星中微子。更大的超級神岡實驗于1991年開建，1996年完工，探測器用了5萬噸純凈水，13000個20英寸光電倍增管，科研目標包括太陽中微子、大氣中微子、質(zhì)子衰變等，后來還用做加速器中微子實驗K2K/T2K的遠端探測器（K2K和T2K都是長基線加速器中微子實驗項目）。
來自太空的原初宇宙射線在地球大氣層中會產(chǎn)生大量的粒子，其中包括宇宙線μ子，也包括其它帶電粒子，以及大量中微子。由宇宙線在大氣層中產(chǎn)生的中微子稱為大氣中微子，包括電子中微子、繆中微子以及它們的反粒子。神岡實驗發(fā)現(xiàn)大氣中微子中的繆中微子與電子中微子的比值比預(yù)期少。1998年，超級神岡實驗精確測量了兩種中微子個數(shù)與能量、方向的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)繆中微子丟失的幾率與它的傳播距離及其能量有關(guān)，這正是中微子振蕩的關(guān)鍵證據(jù)。
為了解決“太陽中微子丟失之謎”，SNO實驗用重水同時探測三種中微子。該實驗位于加拿大薩德伯里地下2公里的一處廢棄鎳礦中，直徑30米的地下探測器大廳內(nèi)安放有直徑12米的有機玻璃球型探測器，探測器內(nèi)裝有一千噸的重水，并安裝1萬個光電倍增管作為光信號探測單元。中微子在重水中可以有三種不同的反應(yīng)：帶電流、中性流、彈性散射。帶電流只對電子中微子敏感，中性流對三種中微子同等敏感，而彈性散射對三種中微子都敏感，但電子中微子的反應(yīng)截面是另外兩種中微子的6倍。2001年，SNO發(fā)現(xiàn)太陽中微子中的電子中微子確實丟失了，與超級神岡實驗探測到的太陽中微子結(jié)果相結(jié)合，基本證實太陽中微子轉(zhuǎn)變成了其它種類的中微子。2002年，SNO測得了全部三種中微子的流強，發(fā)現(xiàn)總流強與預(yù)期一致，給出了中微子轉(zhuǎn)換的確鑿證據(jù)，也證明了太陽標準模型正確。
2002年，鈴木厚人領(lǐng)導(dǎo)的KamLAND實驗通過探測日本和韓國幾十個反應(yīng)堆發(fā)出的中微子，首次發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆中微子的消失現(xiàn)象，其消失的幅度與太陽中微子測量結(jié)果一致。與此同時，西川公一郎領(lǐng)導(dǎo)的K2K實驗，使用超級神岡作為遠端探測器，測量250公里外日本高能所（KEK）加速器產(chǎn)生的中微子，首次觀測到了加速器中微子振蕩現(xiàn)象，其振蕩行為與大氣中微子振蕩一致。這樣，太陽和大氣中微子振蕩現(xiàn)象分別得到了反應(yīng)堆和加速器等人工中微子源的驗證。
中微子振蕩由6個參數(shù)描述，太陽中微子振蕩確定了其中的一組參數(shù)sin22θ12～0.86和Δm221～7.5×10-5eV2，大氣中微子振蕩確定了另一組參數(shù)sin22θ23～1和|Δm232|～2.5×10-3eV2，還有混合角θ13和CP破壞相角δ未知。此外，大氣中微子實驗不能確定Δm232的符號，即兩個質(zhì)量本征態(tài)m2和m3到底誰更重，稱為中微子質(zhì)量順序問題，也不能確定θ23位于哪個象限。
2003年左右，尋找與混合角θ13相關(guān)的第三種振蕩模式成為研究的焦點。之前，法國CHOOZ和美國PaloVerde在近距離反應(yīng)堆實驗中未能發(fā)現(xiàn)該振蕩。據(jù)此分析這個混合角應(yīng)該遠小于另外兩個，其具體數(shù)值的大小將決定中微子物理的發(fā)展方向。國際上先后提出了8個反應(yīng)堆中微子實驗方案，以及多個加速器中微子實驗，最終進入實驗建設(shè)階段的有中國的大亞灣、韓國的RENO、法國的D-Chooz等三個反應(yīng)堆中微子實驗，以及日本T2K和美國NOvA兩個加速器中微子實驗。
大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗于2011年底投入運行，2012年3月以超過五倍標準偏差的置信度率先給出了第三種振蕩模式存在的證據(jù)，并精確測量了中微子參數(shù)θ13的大小。大亞灣的實驗觀測結(jié)果，隨后得到了另外兩個反應(yīng)堆中微子實驗和加速器中微子實驗的證實。
3.中微子科研的現(xiàn)狀與未來
按照中微子振蕩理論，還有質(zhì)量順序和CP破壞相角需要測量，也需要確定混合角θ23是否偏離45°。這些問題不僅關(guān)系的中微子振蕩的大小、引導(dǎo)中微子味結(jié)構(gòu)的更深層理論解釋，質(zhì)量順序還決定了無中微子雙β衰變的實驗前景。CP破壞相角的大小也是宇宙起源與演化必須解決的關(guān)鍵課題；對中微子混合參數(shù)的精確測量將使檢驗混合矩陣的幺正性、窺探新物理成為可能。
最近T2K結(jié)合大亞灣給出的精確θ13值，給出了最大CP破壞的跡象，CP相角為270度。剛投入運行的NOvA實驗給出了與T2K同樣的最大CP破壞跡象，同時傾向于正的質(zhì)量順序。大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)θ13值遠大于預(yù)期，表明用現(xiàn)有技術(shù)就可以測量質(zhì)量順序和CP破壞。
印度南極州“冰立方”實驗體積為1km3，即10億噸，它可以探測到大氣中微子，但能量閾值太高，不能探測對質(zhì)量順序最靈敏的7GeV左右的繆中微子。因此,美國計劃在“冰立方”的中心重新建一個光電倍增管更密集、能探測到更多光子、能量閾值更低的實驗，即PINGU，其有效質(zhì)量(100～1000)萬噸，預(yù)計3年的數(shù)據(jù)量可以測質(zhì)量順序達到3倍標準偏差置信度以上。
中微子振蕩證明中微子有微小的質(zhì)量，但具體數(shù)值仍然未知，各國正在通過β衰變、無中微子雙β衰變、或宇宙學(xué)測量等方法開展研究。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)限制，估計最重的在0.1電子伏量級，與頂夸克相差12個數(shù)量級，最輕的仍不能排除為零。這帶來了新的思考：它的質(zhì)量也跟頂夸克一樣，但是否由希格斯機制產(chǎn)生，還是有新的產(chǎn)生機制？假如中微子是馬約拉納粒子，即它是自身的反粒子，那么現(xiàn)在的所謂中微子質(zhì)量產(chǎn)生的“蹺蹺板機制”就能夠比較合理解釋它為什么這么輕。于是，這就需要對粒子物理的標準模型進行大的修改。
無中微子雙β衰變的中微子實驗極為重要，如果實驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)中微子，則說明中微子與其它費米子都不同，而是馬約拉納粒子?，F(xiàn)在有10多個實驗利用不同的探測技術(shù)和不同的同位素進行研究。EXO利用液氙（136Xe）同時作為雙β衰變核素和探測介質(zhì)，使用液氙200公斤，按升級為nEXO，靶質(zhì)量達到5噸，并繼續(xù)提高探測器性能，尤其還可能實現(xiàn)Ba離子標記技術(shù)，以排除所有其它核素產(chǎn)生的本底。假如中微子是反質(zhì)量順序，下一代的無中微子雙β實驗將可以確定中微子是狄拉克粒子或是馬約拉納粒子；假如質(zhì)量順序是正序，則情況比較糟，因為實驗如果未有正結(jié)果，也就不能給出結(jié)論。
美國LSND上世紀90年代發(fā)現(xiàn)極短距離的中微子振蕩現(xiàn)象，有人認為存在質(zhì)量在1eV附近的中微子。由于加速器上Z0粒子衰變實驗已經(jīng)證明只有三種參與弱作用的粒子，只有兩個獨立的質(zhì)量平方差，也就只能假定這種粒子不參與弱作用，稱為“惰性中微子”。還有一些跡象支持惰性中微子的存在，如反應(yīng)堆中微子反常和GELLEX反常。MiniBooNE實驗是專門用來驗證LSND實驗現(xiàn)象的，但未能得到明確的結(jié)果。惰性中微子激起相當一部分人的研究興趣，包括距反應(yīng)堆幾米的地方測量中微子振蕩、近距離的加速器中微子實驗、利用放射源近距離測量中微子等，也許未來10年能夠破解惰性中微子謎團。
中微子也是一種天體物理的研究手段。它穿透能力強，是獨一無二的研究天體內(nèi)部的探針。中微子天文學(xué)剛剛興起，將在太陽物理、地球物理、超新星爆發(fā)、宇宙起源、宇宙線起源等方面有所應(yīng)用。南極“冰立方”實驗在2013年發(fā)現(xiàn)了來自宇宙的極高能中微子，進一步升級后，有可能解決宇宙線起源的百年之謎。
聯(lián)系客服
