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2015年诺贝尔物理学奖聚焦中微子震荡 中国科学家在该领域有突破
关键字: 诺贝尔物理学奖中微子震荡
中微子在过去半年中,数次占据了科学新闻的头条。先是2011年9月23号,从意大利格朗索萨(Gran Sasso)地下实验室,传来中微子超光速的震撼新闻,接着在同年11月份得到进一步消息。不过,也就是在我来美国前不久,意大利的实验发现了两个漏洞,一个和连接原子钟的光纤有关,一个和原子钟本身有关。这两个漏洞使得中微子超光速的结论变得毫不可信了。部分人兴奋,部分人失落。到底中微子的速度超了光速没有?我们需要等到今年5月份,欧洲核子中心重新启动加速器,产生意大利实验室需要的中微子,才能知道最后结果。
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,2011年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,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%!即使如此,T2K中微子实验结果,被欧洲的物理世界列为2011年十大物理突破的第7位。
反应堆中微子的振荡规律。(图片:曹俊.《大亚湾中微子实验结果的简单解释》/科学网博客)
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”,都和轻子(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,中微子其实没有短缺。
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。从去年到今年1月份,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。
中方主导的大亚湾中微子实验
位于中国的大亚湾中微子实验成立于2006年,主要由中国人组成,是一个国际合作实验,包括38个单位,292人。其中,主要力量来自中国科学院高能物理研究所,共有80人。其次就是位于长岛的布鲁克海文国立实验室,共有23人。除了中国和美国,还有来自香港和台湾地区的合作者。中方领导人是现任高能物理研究所所长王贻芳。当王贻芳开始领导这个实验时,他还是副所长。我记得一次在餐桌上,他说,他坚持中方主导。我当时想,这是正确的,如果实验不幸失败或落后于其他几个实验,他要负责;但如果实验成功了,中国人的贡献最大。大亚湾实验的优势在于除了核电站外,那里的地形适合屏蔽其他粒子。
大亚湾中微子实验项目地上外景(limiao.net)
大亚湾中微子实验中方投资不到2亿人民币,分别来自科技部、科学院、基金委以及广东地方。位于大亚湾核电站一共有6个核反应堆,而中微子实验有3个地下实验室,其中两个靠近反应堆(分别为470米和576米),一个远离反应堆,距离为1648米。3个实验室中共有6个重百吨的反中微子探测器,近的有3个,远的有3个。近探测器探测到的中微子数目,与远探测器探测到的中微子数目会有不同,这个不同可以用来测量反中微子“消失”率,从而计算出混合角。
从2011年12月24号开始,到2012年2月17号这55天收集到的数据中,实验组发现,近探测器共探测到80376个反中微子,而远探测器只探测到10416个中微子。经过计算,他们得到sin22θ13=0.092,而置信度高达5.2个标准差,也就是说,实验明确告诉我们这个参数值不为零。前面我们说过,尽管其他3个实验组也发现不为零,这些测量只能算证据,不能算发现,因为精度太低。
这也许是在中国本土首次测量到的基本物理学参数,我们一点也不过分地说,这是中国对基础物理学最大的贡献。在2012年3月8号下午的新闻发布会上,一位来自华盛顿大学的物理学家说:“我的一位著名美国同事说,这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。”这里,我向中国同行们表示祝贺。
大亚湾近点实验厅EH1(地下100米)。两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器成功安装在巨型水池之中,水池已逐步灌满超纯水。水池壁上安装着光电倍增管,通过探测宇宙线穿过水后产生的切伦科夫光,去除宇宙线对中微子探测的干扰。(图片:曹俊,blog.sciencenet.cn)
岭澳近点实验厅 EH2(地下 100 米) (图片:曹俊,blog.sciencenet.cn)
远点实验厅 EH3(地下 340 米) (图片:曹俊,blog.sciencenet.cn)
本文来自李淼博客,原标题为《来自中国的物理学突破》,发布时间为2012年3月9日。李淼现为中山大学天文与空间科学研究院院长。
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- 责任编辑:梁福龙
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