中科院高能所曹俊谈关于中微子的研究

                             （曹俊的博客）

中微子研究已有漫长历史。从泡利1930年提出存在中微子的假说，迄今已有85年，从首次探测到中微子算起也有60年历史。1998年日本超级神冈实验发现中微子振荡，迎来了中微子研究的黄金时代，各种研究蓬勃发展，美国甚至停掉了除大型强子对撞机以外的其它大型实验，将粒子物理研究的主要精力转移到了中微子上。

1.中微子的发现

中微子的显著特点就是几乎不与物质相互作用，因而穿透能力强，使得探测非常困难。中微子其实非常多，一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子，每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体，宇宙大爆炸的残余中微子充斥整个宇宙空间，每立方厘米大约330个。大多数核过程，以及高能宇宙线、岩石放射性、超新星爆炸等都会产生中微子，就连每个人都会因体内的钾-40衰变每天也要产生4亿个中微子。

这些中微子几乎自由地穿行，只有极少的一部分会被探测器捕获，变成可观测的粒子，因此现代的大型中微子实验动辄上万吨。江门中微子实验使用2万吨液体闪烁体，每天只能探测到60个反应堆中微子，4个大气中微子，1个地球中微子，以及90个硼-8太阳中微子。与之相比，作为本底的宇宙线则有10万个，这还是将探测器放到地下700米，宇宙线流强降低了20万倍后的结果。

自泡利预言中微子以来，人们尝试了许多方法来寻找，其中包括王淦昌1941年提出的K电子俘获方法，美国阿伦采用K俘获方法得到了中微子存在的证据。但直到1956年，才由雷因斯和柯万首次直接探测到中微子。

雷因斯和柯万最初的想法是在原子弹试验时，在靠近核爆中心的地下放一个探测器。因有人劝阻，他们改用稳定的核反应堆。第一个实验在汉福特反应堆进行，采用了300升液体闪烁体，这是当时最大的探测器。反应堆中微子在探测器中发生-β衰变反应，产生正电子和中子，短时间内在液体闪烁体中先后形成两个信号。由于宇宙线本底没有屏蔽好，汉福特实验的结论并不清晰，1953年他们发表论文说“可能”探测到了中微子。

第二个实验是到萨瓦纳河反应堆傍做的。雷因斯和柯万在距反应堆11米、位于地下12米的地方，采用了更大的探测器，包括400公斤氯化镉水溶液和4200升液体闪烁体。这次确凿无疑地找到了中微子，测得的反应截面与当时的理论符得合很好。恰巧，同年李政道和杨振宁提出宇称不守恒，导致中微子反应的理论截面增大了一倍。他们重新分析数据，又与新理论符合得很好，这引起了同行的非议。因此他们的工作过了39年才被授予诺贝尔奖。

发现第二种中微子的过程要简单一些。1962年，莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格利用布鲁克海汶实验室的15GeV质子加速器AGS，建立了世界上第一条中微子束流。质子束流打击铍靶，产生大量π介子，π介子再衰变成一个缪子和一个中微子。由于质子能量很高，这些次级粒子都沿原初质子的方向前冲，但只有中微子才能穿透13.5米厚的钢蔽屏层，到达10吨重的火花室探测器。中微子在探测器中发生核反应，生成带电轻子，从而被探测到。加速器产生的中微子数远不如核反应堆多，但能量要高几百倍，而中微子发生反应的截面大致正比于其能量，再加上加速器容易控制，因此比较干净地探测到了中微子。他们发现中微子束流在探测器中只能产生缪子，而不能产生电子，说明这是一种新的中微子，即缪中微子。（缪子与缪中微子、电子与电子中微子之间分别存在轻子数守恒）他们因此获得了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。陶中微子的产生与探测都相当困难。他们将质子由当时最强大的加速器加速到800GeV，打在一大块钨上，产生粲介子D_s，D_s的衰变可以产生一个陶轻子和一个反陶中微子。陶轻子再衰变成陶中微子，穿过36米的屏蔽层到达探测器。同样，也只有中微子才能穿透屏蔽层。陶中微子在探测器中发生核反应，生成陶轻子，从而被探测到。陶轻子的寿命非常短，不像缪子和电子能在探测器中形成长的径迹，而是只有1毫米长。为了探测到它，DONUT采用了核乳胶技术，其主要成份就是传统照相胶卷上的显影成份溴化银。陶轻子衰变成缪子或电子，可以从探测器中看到，在1毫米的径迹后，紧跟着一条转折后的长径迹。这个留在核乳胶上的“转折”是陶轻子的关键特征。DONUT共观察到4个这样的“转折”，预期本底只有0.2个，因此确凿地发现了陶中微子。

2.中微子振荡

标准模型中中微子质量为零，实验上也没有发现任何质量偏离零的现象。庞蒂科夫、牧、中川、坂田等人在上世纪五、六十年代提出，假如中微子有小到难以察觉的质量，且质量本征态与味道本征态之间存在混合，就会出现中微子振荡现象，即一种中微子在飞行中能自发转变成其它类型的中微子。中微子振荡在本质上是一种量子干涉现象。通过弱作用产生的中微子味道本征态（比如电子中微子），可看做是不同质量本征态的叠加。由于中微子质量极其微小，在接近光速的长距离飞行中，不同质量本征态能一直保持相干而不退耦，从而在宏观上表现出振荡现象。

中微子振荡最早由戴维斯在探测太阳中微子时发现迹象。他于60年代末首次探测到来自太阳的中微子，证实了太阳能量来自核聚变，被授予2002年诺贝尔奖。此后进一步的测量发现，探测到的太阳中微子仅为预期的1/3，被称为“太阳中微子丢失之谜”。1988年，梶田隆章与他的两位导师在神冈实验中发现大气中微子也比预期少，又被称为“大气中微子反常”。由于实验数据精度不高，对中微子振荡的理解也不深，这两个实验未被普遍接受为中微子振荡的证据。

1987年神冈实验与美国IMB实验探测到超新星中微子。更大的超级神冈实验于1991年开建，1996年完工，探测器用了5万吨纯净水，13000个20英寸光电倍增管，科研目标包括太阳中微子、大气中微子、质子衰变等，后来还用做加速器中微子实验K2K/T2K的远端探测器（K2K和T2K都是长基线加速器中微子实验项目）。

来自太空的原初宇宙射线在地球大气层中会产生大量的粒子，其中包括宇宙线μ子，也包括其它带电粒子，以及大量中微子。由宇宙线在大气层中产生的中微子称为大气中微子，包括电子中微子、缪中微子以及它们的反粒子。神冈实验发现大气中微子中的缪中微子与电子中微子的比值比预期少。1998年，超级神冈实验精确测量了两种中微子个数与能量、方向的关系，发现缪中微子丢失的几率与它的传播距离及其能量有关，这正是中微子振荡的关键证据。

为了解决“太阳中微子丢失之谜”，SNO实验用重水同时探测三种中微子。该实验位于加拿大萨德伯里地下2公里的一处废弃镍矿中，直径30米的地下探测器大厅内安放有直径12米的有机玻璃球型探测器，探测器内装有一千吨的重水，并安装1万个光电倍增管作为光信号探测单元。中微子在重水中可以有三种不同的反应：带电流、中性流、弹性散射。带电流只对电子中微子敏感，中性流对三种中微子同等敏感，而弹性散射对三种中微子都敏感，但电子中微子的反应截面是另外两种中微子的6倍。2001年，SNO发现太阳中微子中的电子中微子确实丢失了，与超级神冈实验探测到的太阳中微子结果相结合，基本证实太阳中微子转变成了其它种类的中微子。2002年，SNO测得了全部三种中微子的流强，发现总流强与预期一致，给出了中微子转换的确凿证据，也证明了太阳标准模型正确。

2002年，铃木厚人领导的KamLAND实验通过探测日本和韩国几十个反应堆发出的中微子，首次发现反应堆中微子的消失现象，其消失的幅度与太阳中微子测量结果一致。与此同时，西川公一郎领导的K2K实验，使用超级神冈作为远端探测器，测量250公里外日本高能所（KEK）加速器产生的中微子，首次观测到了加速器中微子振荡现象，其振荡行为与大气中微子振荡一致。这样，太阳和大气中微子振荡现象分别得到了反应堆和加速器等人工中微子源的验证。

中微子振荡由6个参数描述，太阳中微子振荡确定了其中的一组参数sin²2θ₁₂～0.86和Δm²₂₁～7.5×10^-5eV²，大气中微子振荡确定了另一组参数sin²2θ₂₃～1和|Δm²₃₂|～2.5×10^-3eV²，还有混合角θ₁₃和CP破坏相角δ未知。此外，大气中微子实验不能确定Δm²₃₂的符号，即两个质量本征态m₂和m₃到底谁更重，称为中微子质量顺序问题，也不能确定θ₂₃位于哪个象限。

2003年左右，寻找与混合角θ₁₃相关的第三种振荡模式成为研究的焦点。之前，法国CHOOZ和美国PaloVerde在近距离反应堆实验中未能发现该振荡。据此分析这个混合角应该远小于另外两个，其具体数值的大小将决定中微子物理的发展方向。国际上先后提出了8个反应堆中微子实验方案，以及多个加速器中微子实验，最终进入实验建设阶段的有中国的大亚湾、韩国的RENO、法国的D-Chooz等三个反应堆中微子实验，以及日本T2K和美国NOvA两个加速器中微子实验。

大亚湾反应堆中微子实验于2011年底投入运行，2012年3月以超过五倍标准偏差的置信度率先给出了第三种振荡模式存在的证据，并精确测量了中微子参数θ₁₃的大小。大亚湾的实验观测结果，随后得到了另外两个反应堆中微子实验和加速器中微子实验的证实。

3.中微子科研的现状与未来

按照中微子振荡理论，还有质量顺序和CP破坏相角需要测量，也需要确定混合角θ₂₃是否偏离45°。这些问题不仅关系的中微子振荡的大小、引导中微子味结构的更深层理论解释，质量顺序还决定了无中微子双β衰变的实验前景。CP破坏相角的大小也是宇宙起源与演化必须解决的关键课题；对中微子混合参数的精确测量将使检验混合矩阵的幺正性、窥探新物理成为可能。

最近T2K结合大亚湾给出的精确θ₁₃值，给出了最大CP破坏的迹象，CP相角为270度。刚投入运行的NOvA实验给出了与T2K同样的最大CP破坏迹象，同时倾向于正的质量顺序。大亚湾实验发现θ₁₃值远大于预期，表明用现有技术就可以测量质量顺序和CP破坏。

印度南极州“冰立方”实验体积为1km³，即10亿吨，它可以探测到大气中微子，但能量阈值太高，不能探测对质量顺序最灵敏的7GeV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、能量阈值更低的实验，即PINGU，其有效质量(100～1000)万吨，预计3年的数据量可以测质量顺序达到3倍标准偏差置信度以上。

中微子振荡证明中微子有微小的质量，但具体数值仍然未知，各国正在通过β衰变、无中微子双β衰变、或宇宙学测量等方法开展研究。根据已有的数据限制，估计最重的在0.1电子伏量级，与顶夸克相差12个数量级，最轻的仍不能排除为零。这带来了新的思考：它的质量也跟顶夸克一样，但是否由希格斯机制产生，还是有新的产生机制？假如中微子是马约拉纳粒子，即它是自身的反粒子，那么现在的所谓中微子质量产生的“跷跷板机制”就能够比较合理解释它为什么这么轻。于是，这就需要对粒子物理的标准模型进行大的修改。

无中微子双β衰变的中微子实验极为重要，如果实验能发现中微子，则说明中微子与其它费米子都不同，而是马约拉纳粒子。现在有10多个实验利用不同的探测技术和不同的同位素进行研究。EXO利用液氙（¹³⁶Xe）同时作为双β衰变核素和探测介质，使用液氙200公斤，按升级为nEXO，靶质量达到5吨，并继续提高探测器性能，尤其还可能实现Ba离子标记技术，以排除所有其它核素产生的本底。假如中微子是反质量顺序，下一代的无中微子双β实验将可以确定中微子是狄拉克粒子或是马约拉纳粒子；假如质量顺序是正序，则情况比较糟，因为实验如果未有正结果，也就不能给出结论。

美国LSND上世纪90年代发现极短距离的中微子振荡现象，有人认为存在质量在1eV附近的中微子。由于加速器上Z₀粒子衰变实验已经证明只有三种参与弱作用的粒子，只有两个独立的质量平方差，也就只能假定这种粒子不参与弱作用，称为“惰性中微子”。还有一些迹象支持惰性中微子的存在，如反应堆中微子反常和GELLEX反常。MiniBooNE实验是专门用来验证LSND实验现象的，但未能得到明确的结果。惰性中微子激起相当一部分人的研究兴趣，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，也许未来10年能够破解惰性中微子谜团。

中微子也是一种天体物理的研究手段。它穿透能力强，是独一无二的研究天体内部的探针。中微子天文学刚刚兴起，将在太阳物理、地球物理、超新星爆发、宇宙起源、宇宙线起源等方面有所应用。南极“冰立方”实验在2013年发现了来自宇宙的极高能中微子，进一步升级后，有可能解决宇宙线起源的百年之谜。