中微子振荡研究获诺奖，中国科学家在该领域也有重要贡献

编者按：北京时间今天（10月6日）下午，2015诺贝尔物理学奖颁给加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章，以表彰他们通过中微子振荡发现中微子有质量这一研究成果。在过去10多年里，诺贝尔物理学奖已经多次颁给中微子研究，那么中微子是什么？中国科学家在这个领域有哪些成就？中山大学李淼教授的这篇文章部分回答了这些问题。

2012年2 月 29 号，我来到纽约州立大学石溪分校西蒙斯几何和物理中心，参加非常理论的超弦讨论会，而不意在 3 月 7 号听到来自欧洲的关于希格斯粒子实验的消息（其实是美国费米实验室的结果），在 3 月 8 号听到来自中国关于中微子实验的消息。来自中国的消息，第一次让中国人为本土的科学成绩所感动。

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。

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。 

远点实验厅 EH3（地下 340 米） （图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）