2015年諾貝爾物理學獎聚焦中微子震盪 中國科學家在該領域有突破
北京時間10月6日下午，瑞典皇家科學院宣佈，2015年諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麥克唐納（Arthur B。 McDonald），以表彰他們發現中微子振盪，證明中微子有質量。
在過去10多年裏，諾貝爾物理學獎已經多次頒給中微子研究，那麼，中微子和中微子振盪到底是個什麼東西呢？用四張圖來帶你瞭解這一切。
中國科學家在這個領域有哪些成就？中山大學李淼教授的文章部分回答了這些問題。
大亞灣近點實驗廳EH1（地下100米）。
四張圖解釋中微子研究
中微子是除光子外數量最為巨大的粒子，但它們與其他物質的相互作用很弱，地球表面每平方釐米的面積裏，每秒鐘有超過1000億中微子穿過，卻幾乎不被人覺察。中微子曾經被認為是無質量的，而實際上，它們有一個極其微小的質量，並可以在傳播過程中改變類型，這種匪夷所思、出人意料的性質令物理學家們十分費解。事實上，我們對於中微子的瞭解非常之少。“這是我們已知的宇宙最普遍存在的實物粒子，同時可能也是最神秘的。”奈傑爾·洛克耶（Nigel Lockyer）表示。奈傑爾·洛克耶是美國費米國家加速器實驗室（也就是著名的費米實驗室“Fermilab”）的主任。
四項前所未有的實驗有望改變現狀。其中，中國和印度的兩個項目已經獲得許可，而日本和美國的建造探測器方案也在規劃當中。為了防止其他粒子的干擾，四個實驗基地都將深埋於地下。這些實驗中心將檢測到更多的中微子，並能比任何現有實驗更詳細地研究中微子的轉換過程。
研究結果有望助力於解決某些宇宙學中最基本的問題。有一些實驗將會自己製造出中微子，所有實驗都會使用他們從太陽或從超新星爆炸中捕獲的所有中微子。“中微子的時代，”洛克耶説，“會持續很長的一段時間。”
撰文 伊麗莎白·吉布尼（ELIZABETH GIBNEY）
繪圖 奈傑爾·霍庭（NIGEL HAWTIN）
文章來源：環球科學
翻譯 李韻琦
審校 張旭陽
中國科學家在該領域也有重要貢獻
2012年2月29號，我來到紐約州立大學石溪分校西蒙斯幾何和物理中心，參加非常理論的超弦討論會，而不意在3月7號聽到來自歐洲的關於希格斯粒子實驗的消息（其實是美國費米實驗室的結果），在3月8號聽到來自中國關於中微子實驗的消息。來自中國的消息，第一次讓中國人為本土的科學成績所感動。
中微子在過去半年中，數次佔據了科學新聞的頭條。先是2011年9月23號，從意大利格朗索薩（Gran Sasso）地下實驗室，傳來中微子超光速的震撼新聞，接着在同年11月份得到進一步消息。不過，也就是在我來美國前不久，意大利的實驗發現了兩個漏洞，一個和連接原子鐘的光纖有關，一個和原子鐘本身有關。這兩個漏洞使得中微子超光速的結論變得毫不可信了。部分人興奮，部分人失落。到底中微子的速度超了光速沒有？我們需要等到今年5月份，歐洲核子中心重新啓動加速器，產生意大利實驗室需要的中微子，才能知道最後結果。
世界各地中微子實驗的近況
其實，除了中微子超光速新聞之外，2011年不斷地從其他實驗組傳來關於中微子參數測量的消息。例如，6月15號，日本T2K中微子實驗，發表了中微子13混合角的測量結果（T2K是Tokai-to-Kamioka的縮寫，即從東海到神岡的中微子實驗）。他們看到，sin22θ13大約等於0.11，置信度有2.5個標準差。也就是説，這個數值不為0的置信度略小於99%。我們知道，在粒子物理實驗中，置信度必須達到5個標準差才算發現，也就是説置信度必須達到99.9999%！即使如此，T2K中微子實驗結果，被歐洲的物理世界列為2011年十大物理突破的第7位。
反應堆中微子的振盪規律。（圖片：曹俊.《大亞灣中微子實驗結果的簡單解釋》/科學網博客）
那麼，sinθ13到底是什麼？這得從太陽中微子短缺説起。上世紀60年代末，科學家發現，來自太陽的中微子數目，比當時的粒子理論預言的要少。人們認為，這是因為部分中微子變成其他類型的中微子，這就是所謂的“中微子振盪現象”。在基本粒子表中，一共有3種中微子。例如，在β衰變中產生的是“電子型反中微子”——當中子衰變成質子時，伴隨產生的是電子以及反中微子，這個反中微子由於伴隨電子出現，被稱為電子型反中微子。除了電子型中微子，還有“繆子型中微子”以及“陶子型中微子”，都和輕子（電子、繆子、陶子）有關。如果太陽中微子由電子型中微子變成其他類型的，我們就能解釋太陽中微子的短缺了。當然，如果我們能夠探測到所有類型的中微子，中微子其實沒有短缺。
那麼，為什麼不同類型的中微子之間會變換，就像川劇變臉呢？最簡單的解釋就是，所有3種類型的中微子都沒有固定的質量，而它們的一些混合才有固定的質量。如果我們用1、2、3來標誌這些有固定質量的中微子，那麼不同的θ角代表，不同質量中微子與不同類型中微子之間的關係。例如，θ12就與電子型中微子和第二個質量中微子之間的混合有關。這些混合角都是基本物理學常數，在深層次上，與宇宙中的物質起源有關。
中微子通過大氣時也會振盪，叫“大氣中微子振盪”。太陽中微子振盪和大氣中微子振盪實驗明確告訴我們，θ12和θ23都比較大，而θ13卻很小。這個角到底是不是零或者到底有多小？一直是沒有解決的問題。從去年到今年1月份，一共有3個實驗得到了不等於零的值，但置信度都不高。這3個實驗包括前面提到的T2K實驗，還有美國的MINOS實驗以及法國的Double Chooz實驗。前兩個實驗中的中微子都是加速器產生的，而Double Chooz實驗中的中微子是核反應堆產生的。Double Chooz測到的sin22θ13是0.086，比T2K的結果稍小，而MINOS實驗測到的值最小，只有0.04。雖然這3個實驗結果差別比較大，但由於實驗精度不高，還不算互相矛盾。
中方主導的大亞灣中微子實驗
位於中國的大亞灣中微子實驗成立於2006年，主要由中國人組成，是一個國際合作實驗，包括38個單位，292人。其中，主要力量來自中國科學院高能物理研究所，共有80人。其次就是位於長島的布魯克海文國立實驗室，共有23人。除了中國和美國，還有來自香港和台灣地區的合作者。中方領導人是現任高能物理研究所所長王貽芳。當王貽芳開始領導這個實驗時，他還是副所長。我記得一次在餐桌上，他説，他堅持中方主導。我當時想，這是正確的，如果實驗不幸失敗或落後於其他幾個實驗，他要負責；但如果實驗成功了，中國人的貢獻最大。大亞灣實驗的優勢在於除了核電站外，那裏的地形適合屏蔽其他粒子。
大亞灣中微子實驗項目地上外景（limiao.net）
大亞灣中微子實驗中方投資不到2億人民幣，分別來自科技部、科學院、基金委以及廣東地方。位於大亞灣核電站一共有6個核反應堆，而中微子實驗有3個地下實驗室，其中兩個靠近反應堆（分別為470米和576米），一個遠離反應堆，距離為1648米。3個實驗室中共有6個重百噸的反中微子探測器，近的有3個，遠的有3個。近探測器探測到的中微子數目，與遠探測器探測到的中微子數目會有不同，這個不同可以用來測量反中微子“消失”率，從而計算出混合角。
從2011年12月24號開始，到2012年2月17號這55天收集到的數據中，實驗組發現，近探測器共探測到80376個反中微子，而遠探測器只探測到10416箇中微子。經過計算，他們得到sin22θ13=0.092，而置信度高達5.2個標準差，也就是説，實驗明確告訴我們這個參數值不為零。前面我們説過，儘管其他3個實驗組也發現不為零，這些測量只能算證據，不能算發現，因為精度太低。
這也許是在中國本土首次測量到的基本物理學參數，我們一點也不過分地説，這是中國對基礎物理學最大的貢獻。在2012年3月8號下午的新聞發佈會上，一位來自華盛頓大學的物理學家説：“我的一位著名美國同事説，這是首次來自中國的對物理科學的實質性貢獻。”這裏，我向中國同行們表示祝賀。
大亞灣近點實驗廳EH1（地下100米）。兩個直徑5米、高5米、重110噸的中微子探測器成功安裝在巨型水池之中，水池已逐步灌滿超純水。水池壁上安裝着光電倍增管，通過探測宇宙線穿過水後產生的切倫科夫光，去除宇宙線對中微子探測的干擾。（圖片：曹俊，blog.sciencenet.cn）
嶺澳近點實驗廳 EH2（地下 100 米） （圖片：曹俊，blog.sciencenet.cn）
遠點實驗廳 EH3（地下 340 米） （圖片：曹俊，blog.sciencenet.cn）
本文來自李淼博客，原標題為《來自中國的物理學突破》，發佈時間為2012年3月9日。李淼現為中山大學天文與空間科學研究院院長。