发现中微子震荡

　　

　　□宗禾

　　导读

　　北京时间10月6日下午，瑞典皇家科学院宣布，2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章(Takaaki Kajita)和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)，以表彰他们发现中微子振荡，证明中微子有质量。

　　在过去10多年里，诺贝尔物理学奖已经多次颁给中微子研究，那么，中微子和中微子振荡到底是个什么东西呢？

　　四张图解释中微子研究

　　中微子是除光子外数量最为巨大的粒子，但它们与其他物质的相互作用很弱，地球表面每平方厘米的面积里，每秒钟有超过1000亿中微子穿过，却几乎不被人觉察。中微子曾经被认为是无质量的，而实际上，它们有一个极其微小的质量，并可以在传播过程中改变类型，这种匪夷所思、出人意料的性质令物理学家们十分费解。事实上，我们对于中微子的了解非常之少。“这是我们已知的宇宙最普遍存在的实物粒子，同时可能也是最神秘的。”奈杰尔·洛克耶(Nigel Lockyer)表示。奈杰尔·洛克耶是美国费米国家加速器实验室(也就是著名的费米实验室“Fermilab”)的主任。

　　四项前所未有的实验有望改变现状。为了防止其他粒子的干扰，中、印、日、美四个实验基地都将实验装置深埋于地下。这些实验中心将检测到更多的中微子，并能比任何现有实验更详细地研究中微子的转换过程。

　　研究结果有望助力于解决某些宇宙学中最基本的问题。有一些实验将会自己制造出中微子，所有实验都会使用他们从太阳或从超新星爆炸中捕获的所有中微子。“中微子的时代。”洛克耶说：“会持续很长的一段时间。”

　　世界各地中微子实验的近况

　　其实，除了中微子超光速新闻之外，也不断地从其他实验组传来关于中微子参数测量的消息。例如，2010年6月15号，日本T2K中微子实验，发表了中微子13混合角的测量结果(T2K是Tokai-to-Kamioka的缩写，即从东海到神冈的中微子实验)。他们看到，sin22θ13大约等于0.11，置信度有2.5个标准差。也就是说，这个数值不为0的置信度略小于99%。我们知道，在粒子物理实验中，置信度必须达到5个标准差才算发现，也就是说置信度必须达到99.9999%！即便如此，T2K中微子实验结果，仍被欧洲的物理世界列为2011年十大物理突破的第7位。

　　那么，sinθ13到底是什么？这得从太阳中微子短缺说起。上世纪60年代末，科学家发现，来自太阳的中微子数目，比当时的粒子理论预言的要少。人们认为，这是因为部分中微子变成其他类型的中微子，这就是所谓的“中微子振荡现象”。在基本粒子表中，一共有3种中微子。例如，在β衰变中产生的是电子型反中微子——当中子衰变成质子时，伴随产生的是电子以及反中微子，这个反中微子由于伴随电子出现，被称为电子型反中微子。除了电子型中微子，还有缪子型中微子以及陶子型中微子，都与轻子(电子、缪子、陶子)有关。如果太阳中微子由电子型中微子变成其他类型的，我们就能解释太阳中微子的短缺了。当然，如果我们能够探测到所有类型的中微子，会发现中微子其实没有短缺。

　　探索宇宙起源

　　那么，为什么不同类型的中微子之间会变换，就像川剧变脸呢？最简单的解释就是，所有3种类型的中微子都没有固定的质量，而它们的一些混合才有固定的质量。如果我们用1、2、3来标志这些有固定质量的中微子，那么不同的θ角代表不同质量中微子与不同类型中微子之间的关系。例如，θ12就与电子型中微子和第二个质量中微子之间的混合有关。这些混合角都是基本物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。

　　中微子通过大气时也会振荡，叫“大气中微子振荡”。太阳中微子振荡和大气中微子振荡实验明确告诉我们，θ12和θ23都比较大，而θ13却很小。这个角到底是不是零或者到底有多小？一直是没有解决的问题。近年来，一共有3个实验得到了不等于零的值，但置信度都不高。这3个实验包括前面提到的T2K实验，还有美国的MINOS实验以及法国的Double Chooz实验。前两个实验中的中微子都是加速器产生的，而Double Chooz实验中的中微子是核反应堆产生的。Double Chooz测到的sin22θ13是0.086，比T2K的结果稍小，而MINOS实验测到的值最小，只有0.04。虽然这3个实验结果差别比较大，但由于实验精度不高，还不算互相矛盾。