中微子新振蕩：中國物理學(xué)界能否摘諾獎

【資料簡介】

 中微子新振蕩：中國物理學(xué)界能否摘諾獎

　這是在沒有灌裝閃爍液之前的圓柱形反中微子探測器內(nèi)部照片。該探測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)域的每一項重大進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：先是歐洲大型強子對撞機“撞”出“中微子超光速”，挑戰(zhàn)愛因斯坦“相對論”。接著歐洲核子研究中心宣布，所謂“中微子超光速”可能是由于實驗光纜松動導(dǎo)致的“烏龍”。再接著，美國費米實驗室宣布，相關(guān)實驗數(shù)據(jù)分析獲進展，接近證實物質(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“中微子運動能否超光速”和“希格斯波色子是否存在”依然懸而未決相比，我國科研人員主導(dǎo)的大亞灣中微子實驗發(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)可和高度評價。這無疑是令國人振奮的好消息，甚至有評價指出，中國物理學(xué)界有望憑此貢獻諾貝爾獎。

測得夢寐以求的sin22θ13
“我在此宣布大亞灣中微子實驗的實驗結(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，其信號顯著性為5.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，并測得其振幅sin22θ13為0.092。”向媒體發(fā)布上述消息時，大亞灣中微子實驗合作組發(fā)言人、*高能物理研究所所長王貽芳帶著科學(xué)家*的嚴(yán)謹(jǐn)，為了說明測量數(shù)據(jù)的和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，他現(xiàn)場的PPT演示文稿中不時列出“復(fù)雜”的運算公式。

　　一直以來，*高能物理學(xué)家都夢想測量sin22θ13數(shù)值，因為其存在與否、數(shù)值大小決定著中微子物理學(xué)的未來走向。然而在上述大亞灣中微子實驗結(jié)果沒有出來之前，研究實驗沒有取得實質(zhì)性突破。盡管2011年6月，日本中微子實驗測得sin22θ13大約為0.11，置信度只有2.5個標(biāo)準(zhǔn)差，而在粒子物理實驗中，置信度必須達(dá)到5個標(biāo)準(zhǔn)差才算“發(fā)現(xiàn)”。

　　為什么大亞灣中微子實驗?zāi)軌蜃龅綔y量呢？王貽芳將此次突破歸結(jié)為選址優(yōu)勢和*的實驗設(shè)計。他解釋說，作為中微子實驗地，大亞灣核電基地的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面，一是功率名列*二，能提供大量反中微子；二是核電站靠近山，適于建造地下實驗大廳，以屏蔽宇宙本底。在實驗設(shè)計方面，通過遠(yuǎn)近點之間的相對測量提高精度，通過同一點的多模塊中微子測量以降低系統(tǒng)誤差并相互校驗，通過多重宇宙線反符合探測器提率，降低了誤差。

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

　　“熱烈祝賀你們在θ13值上的新發(fā)現(xiàn)……”

　　王貽芳團隊的成果贏得了物理學(xué)界的廣泛關(guān)注和普遍贊譽，世界*物理學(xué)家和物理研究機構(gòu)紛紛發(fā)來賀電，這是中國近現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展史少有的景象。正如賀電所說的那樣，王貽芳團隊完成了困擾物理學(xué)界多年的sin22θ13值測算，證實了中微子第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)識王貽芳團隊實驗成果的意義，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，相應(yīng)的混合角θ12和θ23已經(jīng)準(zhǔn)確測得。大亞灣中微子實驗旨在通過不同距離探測到的中微子個數(shù)來準(zhǔn)確測算混合角θ13值，進而證實中微子第3種振蕩模式的存在。在此基礎(chǔ)上，可以通過θ13值（如果足夠大）進一步測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)備下一代物理實驗，解決中微子振蕩中另外兩個問題：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。

沖擊諾貝爾物理學(xué)獎
鑒于θ13在揭示中微子振蕩CP相位角破壞的特殊重要性，美國物理學(xué)會曾在2004年在報告中將用反應(yīng)堆實驗測量sin22θ13作為未來試驗的“*優(yōu)先”。上在2003年以來，先后有7個國家提出了8個實驗方案，zui終進入建設(shè)階段的有3個，包括中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。在激烈的競爭中，王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣實驗團隊克服了重重困難，完成了探測器的建造與安裝、實驗數(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)研究堅定地駛上了快車道”，同時也把中國粒子物理學(xué)研究水平推向世界zui前沿。甚至有觀點認(rèn)為王貽芳團隊有望摘得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　上述觀點當(dāng)然有其根據(jù)，實際上諾貝爾物理學(xué)獎分外青睞中微子研究領(lǐng)域，已經(jīng)產(chǎn)生3個諾貝爾物理學(xué)獎。但中科院高能所實驗物理中心曹俊研究員清醒地指出，諾貝爾物理學(xué)獎一般是給意想不到的發(fā)現(xiàn)的，前兩次獲得諾獎是因為發(fā)現(xiàn)新的中微子，第三次獲諾獎是因為發(fā)現(xiàn)中微子振蕩。與它們相比，這個實驗分量要輕，能被美國《科學(xué)》雜志評為今年的*科技突破，但可能夠不上諾獎。當(dāng)然，曹俊也表示，大亞灣實驗還在繼續(xù)，如果運氣夠好，能發(fā)現(xiàn)什么反常現(xiàn)象，得出出人意料的成果，也可能獲諾獎。

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。混合規(guī)律由六個參數(shù)決定（另外還有兩個與振蕩無關(guān)的相位角），分別為三個混合角θ12、θ23、θ13，兩個質(zhì)量平方差△m221和△m232以及一個電荷宇稱相位角θcp。截至目前，θ23與△m232已通過大氣中微子振蕩測得，θ12與△m221亦通過太陽中微子振蕩測得。大亞灣中微子試驗測得θ13值，因此，在混合矩陣中，只剩下1個參數(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對稱性的破壞程度。如果它是如人們所預(yù)計的sin22θ13等于1%～3%的話，則中微子的CP相角可以通過長基線中微子實驗來測量，宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱現(xiàn)象可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角無法測量，目前用中微子來解釋物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱的理論便無法證實。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。　

 中微子新振蕩：中國物理學(xué)界能否摘諾獎