未来论坛 | 王贻芳：中微子与我国粒子物理研究（中）

王贻芳、陆锦标因其在实验发现第三种中微子振荡模式, 为超出标准模型的新物理研究, 特别是解释宇宙中物质与反物质不对称性提供了可能的贡献获得未来科学大奖物质科学奖。在11月17日颁奖典礼上，未来科学大奖科学委员会委员鲍哲南宣读颁奖理由，并与科学委员会委员毛淑德、薛其坤、杨培东，以及“物质科学奖”捐赠人邓锋、吴亚军、吴鹰和徐小平共同为二位科学家颁发获奖证书和奖杯。

接下来我们继续为大家回顾一下王贻芳院士关于粒子物理研究的精彩报告。

下文来源：墨子沙龙（MiciusSalon）

中微子构成我们物质世界最基本单元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能听说过，2012有一个电影，地球会被中微子毁灭，这个显然不是被大家没有听说过的东西，应该大家还是比较熟悉的，大家可能也听说过2011年欧洲核子中心发现中微子可以超光速，当然后来我们知道这个不对，是错的，是假的，我们知道2015年这两位得了诺贝尔奖，也是研究中微子的，另外我们大亚湾实验，也在国际上有一些影响。

中微子至少对很多人来说不是特别陌生，其实中微子存在于我们的周围，我们超新星或者我们的银河系、太阳、地球、反应堆，都是中微子源，都可以成为我们用来研究中微子的一个工具，当然我们有加速器也可以人工产生中微子，我们人体也是一个中微子源，我们人体每天大概会发出3亿4千万中微子，每个人既是中微子源，有可能会对你周围的人也可以用中微子影响它。

研究中微子跟很多学科领域都有关系，从天体、物理、宇宙学、地质、天文、粒子物理等等都有关系。

中微子是构成物质世界最基本的单元，同时中微子非常奇怪，只有左旋中微子，没有右旋的中微子。在座都是光学专家，光子有偏正，有左旋有右旋，质量如果为零，就一定存在左右旋两个偏正态，所以中微子也是一样，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不满足宇称守恒，所以在弱相互作用下是不守恒的。

为什么是弱相互作用？因为中微子只参加弱相互作用，中微子不参加电磁相互作用，不参加强相互作用。所以不存在中微子这件事情，只对弱作用的宇称守恒有影响，所以只有这么一个很奇怪的性质，为什么没有这个右旋中微子，到现在我们也不知道，这也是要研究的问题。同时在宇宙当中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300个，所以整个宇宙当中每立方厘米300个，所以数量跟光子数一样多，它的质量的大小，对宇宙的形成演化有巨大的作用，特别是对于形成宇宙当中大尺度的结构，现在我们均匀地去看，往远处看宇宙还是均匀的，你仔细看宇宙是有结构的，我们有银河系、太阳系、地球等等。

它是有结构的，这个结构怎么来的？在宇宙初始大爆炸的时候，有所谓的原始扰动（Fluctuation），实际上跟中微子的质量有密切关系，如果中微子没有质量的话，这个Fluctuation是不能形成的，也就是说如果中微子质量为零，按照我们现在了解，没有银河系，没有太阳系，也没有在座我们各位，中微子质量跟我们大家的存在有非常密切的关系，极其重要。

中微子的质量

那么在中微子研究当中核心问题就是质量，这里面有两个原因，一个就是在宇宙学当中。大尺度结构的形成跟中微子质量很有关系，大一点小一点宇宙就不是现在这个样子了，第二个在粒子物理当中，标准模型，我们到现在为止我们也不知道怎么把中微子写进去，到现在也不知道。

在1956年的时候，有一位意大利的物理学家Bruno Pontecorvo，他是费米的学生，但是信仰共产主义，1948年、1949年前后从西欧逃到苏联，在前苏联一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理学家，所以在1956年前苏联的杜布纳联合核子研究所，他就写了一篇文章，他说“中微子有可能有质量”。

中微子如果有质量，质量本征态和弱作用本征态如果不一样，你们在座大部分人都是做量子态的，纠缠态的，所以本征态应该对你们不是一个很奇怪的概念。所以质量本征态和弱作用本征态如果不一致，中微子就会发生震荡，也就是说在飞行当中，一种中微子会变成另外一种中微子，简单解释说：我产生的时候是电子中微子，但是这个电子中微子是三种质量本征态叠加，所以在飞行的过程当中，它的三种态的叠加的比例会发生变化，这个变化就会使它变成另外一种中微子，比如说μ中微子，μ中微子往前走还会变回来，变成电子中微子。所以从量子力学的角度来看，相对来说还很容易理解，就是两个态的叠加，或者说是量子力学在宏观上的一个体现，一个表现。

中微子振荡

数学上把它震荡几率写出来就是两个Sin函数的相乘，一个是Sin平方2倍的θ，一个是Sine平方里面有一个Delta（M）平方，有一个飞行距离，有一个能量。所以你可以看到，如果质量为零，这一项就为零，这个震荡距离月份为零，永远不存在。所以这就是为什么中微子震荡很重要的原因。

我只要知道了中微子有震荡，最起码我知道中微子质量不为零。因为在目前我们所有的实验手段去看中微子质量的话，我们完全没有办法看到，它到底有没有质量，因为它的质量太小了，我们实际上实验的精度要求太高，这是间接测量，量子力学的态在宏观上体现，它这个质量是间接的测量，我们可以知道它的质量不为零，然后它前面还有一个所谓的系数，实际上是振幅，那也就是说从电子到μ子，到底有多少变过去了，这个是震荡频率，变过去有多快？如果两种中微子写出来就是图上的公式，三种中微子大概也一样，可以很容易写出来。

所以中微子震荡从50年代提出，其实大家就一直没有把它放在心里，第一是和标准模型不符，标准模型没有质量，为什么要写出来，没有必要找麻烦。第二，是做实验非常难，所以大家没把它放在心理，但是实际上过程当中有很多实验证据的，第一个实验证据，70年代有两位重要的物理学家，（Ray Davis, John N. Bahcall）这两个人说太阳为什么会发出这么多能量出来，我要搞清楚太阳的发光过程，在这之前说太阳通过聚变产生的能量，他们说我要证明这个东西怎么办呢？

相关实验

我可以去测量中微子，聚变当中一定会发生中微子，把中微子测出来了，我可以发出太阳聚变的模型，他写出两篇文章，64年以后筹备做实验，70年代末开始，实验一共做20多年，得到两千多个中微子，这两千多个中微子给出的数据，就是理论和模型比较只有1/3，我看到的中微子，和我预期中微子相比差了3倍，大家说太阳模型错了，太阳离得那么远，你怎么知道聚变的公式写出来是对的，大家都认为太阳模型不对，这是从70年代开始的。

80年代的时候，有两个实验，一个是日本的叫Kamiokande实验，现在叫神冈实验，还有一个美国的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）实验，这两个实验当时要做所谓的质子衰变，因为在80年代的时候有一个理论，就是大统一理论，把电磁弱和强相互作用统一起来了，这个统一理论有一个最重要的预言，质子寿命很短，大概在10的31次方和32次方一年，这个是可以测的，这个数值，所以他们就做了一个几千吨的水探测器，水里面有大量的质子，通过这个我来测一侧，这个质子是不是真的衰变。当然这个是很重要的事情，质子如果衰变，对我们整个宇宙有巨大的影响。

这两个实验做出来，比例不对，理论跟实验比较，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之后有两个其他的实验，说你这个测错了，我这是对的，我这个是1：1，理论和实验一样的，大家搞了十几二十年以后还是糊涂帐，大家认为中微子震荡这个事情还是不靠谱，当然我们现在知道这个是靠谱的，所以这两位2002年得了诺贝尔奖，这位瑞·戴维斯（Ray Davis），跟他合作的理论物理学家约翰·帕克尔（John N. Bahcall）很可惜在这之前去世了，否则的话他应该有希望能够得这个诺贝尔奖。

这个刚才说了两个实验，一个是日本的Kamiokande，一个是美国的IMB，但是只有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了诺贝尔奖。你看他手上抱了两个20寸的光电倍增管。美国那个实验也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆发，这两个实验，神冈和美国的实验都看到了超新星中微子，但是诺贝尔奖只给了神冈实验，没有给IMB实验。为什么？

因为我下面会讲，他这个实验后来又有了所谓后续叫做超级神冈，超级神冈发现了中微子的震荡，因为发现中微子震荡，我们回过头来知道，大气中微子反常和太阳中微子消失，都是中微子震荡造成的，所以这两位得了诺贝尔奖，没有用中微子震荡的名义，但是用了宇宙中微子，一个太阳中微子，一个超新星中微子，但是因为在2002年的时候，大家还略微一点点疑问说，我是不是可以用非常特殊的太阳模型，非常特殊的大气模型，来解释看到的所谓中微子震荡的这个现象。有一点点的不确定性，当然现在我们知道不确定没有了，确实我们看到了中微子震荡。

在1998年的时候，日本从神冈实验，就是Kamiokande实验，已经发展成超级神冈实验，在1996年开始运行，到1998年的时候，它确切无疑地发现中微子有震荡，这个探测器从早年的3千吨的水，到了5万吨的水。

我刚才忘了说一件事，日本的超级神冈实验，跟美国IMB实验的最大的差别在于这个20寸的光电倍增管，因为日本的实验比美国的实验晚一年，探测器比它小一倍以上，但是日本人说我怎么才能超过美国，所以唯一的办法是提高我的光探测的灵敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的话，一下子16倍出来了，所以它光的灵敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子数量也远超过IMB的，它对中微子振荡其他方面测量灵敏度也比它高很多，所以最终它的实验结果应该说比IMB要好得多，虽然它比它晚了一年左右。

日本人做完了Kamiokande以后他觉得有意思，所以我还得做。他做了超级神冈，从3千吨长到5万吨，差不多将近20倍左右的探测器大小，还是水。它的探测器相对来说非常简单，就是把水灌进去，把20寸的光电倍增管给铺上，20寸光电管差不多1万多个，大家可以看到人坐着小船，安装很简单，不用搭架子，他只要装水就好了，水上去做个小舢板装上，如果你要下来，把水放掉你还是可以下来的，技术上相对简单，也很成功。

他们就是看到从地球下面来的大气中微子，在飞行的过程当中变少了，从天顶上来的中微子不变，他看到μ子中微子地下来的减少，电子中微子不变，所以这是一个随距离变化，随能量变化，随中微子种类变化，预期到的中微子振荡的现象，跟我们预期完全符合，所以这个实验我们知道2015年又得了诺贝尔奖，这个从Kamiokande到SuperKamiokande连得了两个诺贝尔奖，诺贝尔奖给了这一位（梶田隆章），这一位（户冢洋二）是整个实验的负责人，SuperKamiokande发言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以诺贝尔奖没有给他，如果在的话一定给他。梶田隆章只是当时的博士后做了数据分析。

中微子振荡探测方法

2002年中微子振荡是通过太阳中微子实验得到证实，太阳中微子实验起始很早，在1985年的时候中国裔的华裔科学家，叫陈华森（Herb Chen）他提出了一个设想，他说你看到的太阳中微子变少了，少了2/3，到哪里去了呢？他说如果中微子振荡的话，Vμ跟Vτ，你可以用重水来探测它，所以你看到的电子中微子跟重水当中氘发生反应，Vμ跟Vτ也可以跟氘发生反应，所以把重水放进去以后，不同中微子发生不同的反应，我这个是三个方程，这三个方程我解三个参数，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以测出来，这是一个极其巧妙的办法，我用一个探测器，我把三种不同的中微子通量都把它测出来，以前都只能测一种，剩下的不知道，不知道，可能是振荡了，但是没有直接测出来。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三种中微子直接测出来。

但是非常可惜陈华森1987年由于白血病去世了，如果他在的话，2015年诺贝尔奖应该是他的，因为这个实验是他提出的方案，他也是实验的负责人，一直到他去世，去世以后，是这一位(Arthur McDonald)负责实验，最后他得了诺贝尔奖，在2002年的时候，他们得到了第一次结果，从这个图上可以看到，我们看到最终的解，实验点在这个位置，这个位置告诉你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右电子中微子通量，这个全部加起来正好是1，跟你理论上预言的中微子总数是完全符合的，这个是实验上直接的证明，我们看到的太阳中微子，真的发生了振荡，而且变成μ跟τ中微子我也看见了，这是中微子震荡的一个确认，这也是为什么他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的诺贝尔奖。

我们知道中微子有太阳中微子振荡和大气中微子振荡，这两个都对了，都测出来了，我们把三种中微子用公式写出来，发现还有一个震荡，叫做θ13，2002年的时候，我们知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我们要把这个参数给找出来，它是一个最基本的物理过程，也是一个重要的物理参数，理论上对这个参数大小的语言，从0到接近于1，什么都有的，大家看预言的话，大部分集中在这儿，这个位置大概在0.01到0.1之间。我们当时说这是中微子研究下面一个最重要的问题，需要把它解决。

这个实验有不同的方法，可以用加速器，也可以用反应堆，我们当时提出来用反应堆实验做这个事情，来看一看θ13到底是不是为零，如果不为零到底是多少。这个大小对中微子未来发展非常重要，如果θ13真的等于零的话，下一代中微子实验，比如说你要想做CP破坏，做质量差，那都做不了，后面的这些参数，跟θ13在数学公式里是相乘的关系，如果乘出来有一个为零，它永远为零，永远测不出来，值的大小，跟中微子本身未来发展都有非常重要的意义。

要做的办法，比较预言和测量之间的一个差，我们提出来这样的方案做这个实验，这里的难处，过去实验精度3%到6%，我们实验目标到0.6%，差了差不多10倍，这是一个难点。

我们自己的方案

我们当时的设计跟国际上的比较可以看到还是大亚湾的精度最高，一个是韩国的实验，一个是法国的实验，这是起始的实验点，可以看到我们当时面临竞争，虽然精度最高，但是有可能落在别人后面，因为他们起始比我们快，最终我们知道θ13的参数在这儿，所以实际上无论Double  Chooz还是Reno都有可能在我们前面发现，因为这个值非常大。所以最终的成功应该说，一方面是项目实施在设计、造价技术方面做得还可以，另外一方面我们还是有运气，因为这个实验最终做得好不好，一方面在自己，一方面也在别人。别人做得不是特别好的话，你就占了一点便宜。

因为当年在国内第一次做这样的大型实验，还是有很多担心在里面。这个实验也是大型国际合作组，有中美两国差不多200多个科学家参加，国内也有很多单位支持，也是我们两国在基础科学院研究当中，最大的一个合作项目。我们是2003年提出实验方案，06年才获得批准，07年开始正式破土动工，一直到2011年基本完成建设，2011年底开始运行取数。

给大家看一些照片。我们建了一个三公里长的地下实验隧道，有三个实验大厅，这些都是在靠近核电站的地方，通过爆破完成了建设，这当中受很多很多安全的限制，核电站旁边爆破振动的话，对核电站的安全运行有重大影响的。这是一些探测器建设过程当中的一些照片，这是5米直径的钢管，里面装上有机玻璃反射板和有机玻璃的罐子，然后再装上反射板，装光电倍增管，然后一直往下的话，最后一直盖上封好放到水里。整个探测器安装，有建水池，有装光电倍增管，然后装上罐装水，把探测器放进去，盖上盖子，顶上有一个探测器。

这里面有大量的技术难题要解决，包括机械、真空、化学化工、极低本底、土建等等，举一个例子，这样一个实验，这么大规模如果有一克的灰尘落进去，那这个实验彻底失败了，所以绝对要保证这里面灰尘不能超标。另外三个实验大厅相互距离差不多有2公里，我们要保证全年温差不能超过1度，这个技术实验非常困难。还有你设计的时候要真的想到这个事情，要提这个要求，有时候你没有想到提这个要求，那实验很可能失败，实验设计过程当中非常重要，作为高能物理实验，整个过程首先你要有一个科学目标，然后你要设计你的探测器，然后你自己要把探测器建起来，买过来不可能，然后制造出来，获取数据、得到结果，整个过程都得自己完成，这是高能物理实验和其他一些实验可能不太一样的地方。

在2012年我们看到了反应堆出来的电子反中微子有消失的现象，看到的中微子数，只有我们预期中微子数的94%，也就是说少了6%的中微子，所以它的能谱不是均匀分布的，它有这样一个结构，这个结构有一个deep在这儿，正好是我们能谱最大的地方，这正好是我们设计成这样，这样灵敏度最高。我们看到五个标准偏差的统计显著性，θ13是不会为零的，这是第一次测出来θ13的这个参数不为零，同时值在0.092的这个位置。

这个实验现在还在继续，从最早的20%的精度到现在已经提高了差不多4%，我们实际上跟日本现在的实验T2K结合，首次给出了另外一个未知的中微子参数的估计，很可能是负90度，从这张图上看的话，这个是T2K实验的结果，所以这个实验结果跟我们实验结果相交唯一的点就在这个地方，这个点正好是负90度，或者负1/2π。所以这是第一次知道中微子另外一个振荡参数CP破坏，是有可能在负90度。看到这个精度，大亚湾的实验和我们竞争对手韩国Reno实验及法国实验精度比较，可以看到有巨大的差别，或者质的差别在这儿。

下一步我们要做的是江门中微子实验，在广东的江门，下面有两个核电站，台山和阳江。为什么要做这样一个实验呢？这个实验距离53公里刚好在震荡的θ第一个就是中微子的质量顺序，到现在为止，我们知道中微子的质量，有三种中微子123，它的质量顺序有可能是321，从大往小，也可能是213，我们不知道哪个是对的，从实验上来说我们要证据，这是中微子理论研究上面非常重要的问题，同时也可以测量中微子振荡参数。我们目前的精度大概在3%到10%之间，江门中微子实验可以做到小于1%，这个量级的提高对寻找超出中微子的新物理有非常重要的意义。

同时研究超新星，刚才说Kamiokande和IMB，他们在1987A的时候，看到了20个超新星中微子，如果在江门中微子30年的寿命期限当中，有一次中微子爆发，距离跟1987A是一样的话，可以看到2千个中微子甚至到5千个，这是巨大的差别，而且看到中微子的性质，应该说能力比水探测器还要好，因为我们可以区分不同的中微子，他那个只能看一种中微子，所以这个是在超新星中微子方面会有重大的成果，如果正好被我们碰上的话。当然我们也可以研究地球发出中微子，太阳中微子等等。

这个探测器从技术上来说跟大亚湾中微子不一样，大亚湾中微子， 5米直径差不多也就100吨，现在我们做的探测器，因为距离远，我们是50多公里，探测器比以前世界上最大的探测器Kamland大了差不多20倍，它是1000吨，我们是2万吨的。性能，我们的光产额最少大了5倍，比这个大了2倍，所以性能要好，质量又大，这里面有巨大的一个技术挑战。所以看到这个示意图，这个点大家可能看不清楚，这是一个人的大小。这个探测器直径43.5米，高44.5米，一个水池，这里有非常多的技术挑战在里面，从来没有过的，至少国际上没有的，一个是国内最大的地下洞，也有可能是国际上的，我们也没有搞清楚，可能是国内最大的。

世界上最大的有机玻璃球，直径35.4米，所以是10厘米厚左右的有机玻璃，做成一个球，差不多13层楼高，大家可以想象一下有机玻璃球巨大的困难。同时做2万吨的液体闪烁体，在这之前，国际上做的最好的也是大亚湾，它的透明度差不多是15米，我们现在提高到25米，要提高1倍，再一个我们要做2万个20英寸的光电倍增管，光电倍增管是中微子实验当中最核心的一个部分。刚才说日本的Kamiokande最后能超过IMB，就是因为它做出了自己20寸的光电倍增管，这个光电倍增管价格非常贵，差不多得3、5千美元一个，如果我们没有能力自己做的话，这个实验最终也是不能实现，因为价格完全不受控制。我们需要解决这个问题，同时探测效率也是世界上最高的，比超级神冈、日本IMB做出来差不多好一倍左右。这是我们2008年在实验设计方面提出的要求。

到目前为止，通过预言我们大部分都实现了，所以可以开展真正工程工作，比如说从2008年起，我们看到国际上的光电倍增管最高的探测效率25%×60%，差不多15%左右，不能达到要求，我们现在自己提出新的色设计，目标是40%，经过5到8年的努力，我们跟北方夜视等等组成产学研合作组，最后成功做出来了30%，跟我们目标略差一点，同时日本滨松也在进步，他们现在做到27%，比我们还差10%左右，相对10%。所以在去年通过招标的，在价格、指标、风险等等各种因素平衡下，我们把合同15000支给了北方夜视，5000支给了日本滨松，这个实验最终把最关键的设备，光电倍增管控制在自己的手里，通过这个实现了国产化。

未来的计划

时间计划我们是希望能够在2020年左右开始运行，所以地下实验大厅建一个600米深的竖井，1300米深的斜井，然后挖一个地下大厅，工程是非常复杂的事情，目前为止，竖井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快会挖到底开始大厅的建设。江门中微子实验国际合作组有27个欧洲的单位参加，美洲有一些，亚洲也有很多，包括泰国等，台湾也参加。国际贡献差不多10%到20%左右的经费贡献。

实际上我们还在考虑，江门实验更远的未来，2020年完成运行以后，它的寿命应该有30年左右对超新星，但其实在这个中间，我们还可以做另外一件事情，中微子的双beta衰变，这个探测器当中可以冲一个50吨探测器的气球，10米直径。这个探测器在2030年做的时候，可以做双beta衰变的实验，那么它的好处就是本底非常低，灵敏度可以非常高，从表上可以看到，所有的都是目前没有实现，国际上正在计划的下一步的实验，可以看到至少从计划上来看，我们的目标比他们要好得多，我们是国际上灵敏度最高的一个实验。

从这里可以看到，粒子物理实验的一个关键就是要有好的科学目标，要有长远的规划，还有非常关键的就是有一个Consistent的技术发展路线，就是说你的发展路线是一直这么下来的。你看日本从Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探测器，同一条技术路线。我们这里走大亚湾和江门甚至到未来也是走一条液体闪烁体，这条技术路线从2003年开始我们一直可以走到203几年甚至2050年，这是几十年的一个技术发展路线，使得我们高能物理实验能够一直往前走，而且维持竞争优势。

当然，历史上有规划不正确失去了发展路线，然后失去了发展前景。比如刚才说美国人最早做了IMB但是没有继续往下走，然后他又有一个跟日本Hyperk一样的方案叫Reno，也没有往下走，所以使得它最终中微子发展非常困难。这也是一些例子有成功和失败，如果没有做好，风险也非常大。