中微子新振蕩：中國(guó)物理學(xué)界能否摘諾獎(jiǎng)

　這是在沒(méi)有灌裝閃爍液之前的圓柱形反中微子探測(cè)器內(nèi)部照片。該探測(cè)器用于捕捉反中微子產(chǎn)生的微弱閃光。高靈敏的光電倍增管排列在探測(cè)器的壁上。

　　由于粒子物理學(xué)在破解宇宙之謎中具有特殊重要地位，所以該研究領(lǐng)域的每一項(xiàng)重大進(jìn)展都天然地具有爆炸性，而近期相關(guān)“重磅”消息更是接連傳出：先是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)“撞”出“中微子超光速”，挑戰(zhàn)愛因斯坦“相對(duì)論”。接著歐洲核子研究中心宣布，所謂“中微子超光速”可能是由于實(shí)驗(yàn)光纜松動(dòng)導(dǎo)致的“烏龍”。再接著，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析獲進(jìn)展，接近證實(shí)物質(zhì)“質(zhì)量之源”、“上帝粒子”希格斯波色子的存在。zui后就是日前廣東大亞灣發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩。

　　與“中微子運(yùn)動(dòng)能否超光速”和“希格斯波色子是否存在”依然懸而未決相比，我國(guó)科研人員主導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的新的中微子振蕩模式已經(jīng)獲得世界物理學(xué)界的廣泛認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。這無(wú)疑是令國(guó)人振奮的好消息，甚至有評(píng)價(jià)指出，中國(guó)物理學(xué)界有望憑此貢獻(xiàn)諾貝爾獎(jiǎng)。

測(cè)得夢(mèng)寐以求的sin22θ13
“我在此宣布大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：發(fā)現(xiàn)了電子反中微子消失現(xiàn)象，該現(xiàn)象與中微子振蕩的預(yù)期符合，其能譜畸變也與中微子振蕩的預(yù)期符合，這就意味著發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，其信號(hào)顯著性為5.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，并測(cè)得其振幅sin22θ13為0.092。”向媒體發(fā)布上述消息時(shí)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)合作組發(fā)言人、*高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳帶著科學(xué)家*的嚴(yán)謹(jǐn)，為了說(shuō)明測(cè)量數(shù)據(jù)的和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，他現(xiàn)場(chǎng)的PPT演示文稿中不時(shí)列出“復(fù)雜”的運(yùn)算公式。

　　一直以來(lái)，*高能物理學(xué)家都?jí)粝霚y(cè)量sin22θ13數(shù)值，因?yàn)槠浯嬖谂c否、數(shù)值大小決定著中微子物理學(xué)的未來(lái)走向。然而在上述大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有出來(lái)之前，研究實(shí)驗(yàn)沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性突破。盡管2011年6月，日本中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)得sin22θ13大約為0.11，置信度只有2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，而在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，置信度必須達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差才算“發(fā)現(xiàn)”。

　　為什么大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃龅綔y(cè)量呢？王貽芳將此次突破歸結(jié)為選址優(yōu)勢(shì)和*的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。他解釋說(shuō)，作為中微子實(shí)驗(yàn)地，大亞灣核電基地的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是功率名列*二，能提供大量反中微子；二是核電站靠近山，適于建造地下實(shí)驗(yàn)大廳，以屏蔽宇宙本底。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)遠(yuǎn)近點(diǎn)之間的相對(duì)測(cè)量提高精度，通過(guò)同一點(diǎn)的多模塊中微子測(cè)量以降低系統(tǒng)誤差并相互校驗(yàn)，通過(guò)多重宇宙線反符合探測(cè)器提率，降低了誤差。

直指“反物質(zhì)消失之謎”
“祝賀你們準(zhǔn)確測(cè)算θ13值……”

　　“熱烈祝賀你們?cè)?theta;13值上的新發(fā)現(xiàn)……”

　　王貽芳團(tuán)隊(duì)的成果贏得了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注和普遍贊譽(yù)，世界*物理學(xué)家和物理研究機(jī)構(gòu)紛紛發(fā)來(lái)賀電，這是中國(guó)近現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史少有的景象。正如賀電所說(shuō)的那樣，王貽芳團(tuán)隊(duì)完成了困擾物理學(xué)界多年的sin22θ13值測(cè)算，證實(shí)了中微子第3種振蕩模式的存在，并為揭開宇宙反物質(zhì)消失之謎開辟了道路。

　　然而要科學(xué)認(rèn)識(shí)王貽芳團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)成果的意義，必須從中微子振蕩和中微子混合角θ13談起。中微子共有3種類型，并可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，即中微子振蕩。原則上應(yīng)有3種振蕩模式，之前已有兩種被證實(shí)，相應(yīng)的混合角θ12和θ23已經(jīng)準(zhǔn)確測(cè)得。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)不同距離探測(cè)到的中微子個(gè)數(shù)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)算混合角θ13值，進(jìn)而證實(shí)中微子第3種振蕩模式的存在。在此基礎(chǔ)上，可以通過(guò)θ13值（如果足夠大）進(jìn)一步測(cè)量中微子振蕩中的宇稱和電荷反演（CP相位角）破壞，以理解宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象，即宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。

　　“這種振蕩的振幅比預(yù)期要大得多，使我們能夠很好地準(zhǔn)備下一代物理實(shí)驗(yàn)，解決中微子振蕩中另外兩個(gè)問(wèn)題：中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩中是否有宇稱和電荷反演破壞。”王貽芳說(shuō)。

沖擊諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
鑒于θ13在揭示中微子振蕩CP相位角破壞的特殊重要性，美國(guó)物理學(xué)會(huì)曾在2004年在報(bào)告中將用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)測(cè)量sin22θ13作為未來(lái)試驗(yàn)的“*優(yōu)先”。上在2003年以來(lái)，先后有7個(gè)國(guó)家提出了8個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，zui終進(jìn)入建設(shè)階段的有3個(gè)，包括中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國(guó)的Double Chooz實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)克服了重重困難，完成了探測(cè)器的建造與安裝、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析等，取得重大成果。此舉“使中微子物理學(xué)研究堅(jiān)定地駛上了快車道”，同時(shí)也把中國(guó)粒子物理學(xué)研究水平推向世界zui前沿。甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為王貽芳團(tuán)隊(duì)有望摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　上述觀點(diǎn)當(dāng)然有其根據(jù)，實(shí)際上諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分外青睞中微子研究領(lǐng)域，已經(jīng)產(chǎn)生3個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但中科院高能所實(shí)驗(yàn)物理中心曹俊研究員清醒地指出，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一般是給意想不到的發(fā)現(xiàn)的，前兩次獲得諾獎(jiǎng)是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)新的中微子，第三次獲諾獎(jiǎng)是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)中微子振蕩。與它們相比，這個(gè)實(shí)驗(yàn)分量要輕，能被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為今年的*科技突破，但可能夠不上諾獎(jiǎng)。當(dāng)然，曹俊也表示，大亞灣實(shí)驗(yàn)還在繼續(xù)，如果運(yùn)氣夠好，能發(fā)現(xiàn)什么反?，F(xiàn)象，得出出人意料的成果，也可能獲諾獎(jiǎng)。

θ13藏宇宙奧秘
中微子振蕩的原因是三種中微子的質(zhì)量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)之間存在混合?；旌弦?guī)律由六個(gè)參數(shù)決定（另外還有兩個(gè)與振蕩無(wú)關(guān)的相位角），分別為三個(gè)混合角θ12、θ23、θ13，兩個(gè)質(zhì)量平方差△m221和△m232以及一個(gè)電荷宇稱相位角θcp。截至目前，θ23與△m232已通過(guò)大氣中微子振蕩測(cè)得，θ12與△m221亦通過(guò)太陽(yáng)中微子振蕩測(cè)得。大亞灣中微子試驗(yàn)測(cè)得θ13值，因此，在混合矩陣中，只剩下1個(gè)參數(shù)還未被確定：破缺的相位角δcp。

　　θ13的數(shù)值大小決定了未來(lái)中微子物理的發(fā)展方向。在輕子部分，所有電荷宇稱（CP）破缺的物理效應(yīng)都含有因子θ13，故θ13的大小調(diào)控著CP對(duì)稱性的破壞程度。如果它是如人們所預(yù)計(jì)的sin22θ13等于1%～3%的話，則中微子的CP相角可以通過(guò)長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量，宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱現(xiàn)象可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角無(wú)法測(cè)量，目前用中微子來(lái)解釋物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱的理論便無(wú)法證實(shí)。令人欣喜的是sin22θ13值達(dá)到9.2%，這意味著“反物質(zhì)消失之謎”可能破解?！?/p>

 中微子新振蕩：中國(guó)物理學(xué)界能否摘諾獎(jiǎng)