1、中微子研究回顧和介紹楊璞摘要：本文回顧了中微子理論與試驗(yàn)研究的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了中微子振蕩與中微子混合矩陣方面的知識(shí)，簡單介紹了大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：中微子振蕩，中微子混合矩陣1、中微子的發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)20年代,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在衰變過程中,電子的能譜是連續(xù)的, 而不像衰變、衰變那樣,能譜是分立的。1930 年泡利( Pauli) 在解釋這一現(xiàn)象時(shí)提出存在一種電中性的粒子, 自旋為12在衰變過程中與電子一同發(fā)射出來攜帶了一部分能量,因而使電子能譜連續(xù)。這就是最早關(guān)于中微子存在的假說。但是因?yàn)橹形⒆邮请娭行缘?與物質(zhì)發(fā)生相互作用非常弱, 與物質(zhì)相互作用截面為110-34cm2 ,

2、非常非常小, 相當(dāng)于吸收長度非常非常大,大到29光年。因此中微子極難探測(cè)到, 對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長的歲月。1952年羅德拜克等人根據(jù)王淦昌的建議用K殼層電子俘獲實(shí)驗(yàn)測(cè)量了核的反沖能量,根據(jù)能量、動(dòng)量守恒定律, 給出了中微子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1956 年, F. Reines 和C. Cowan 在核反應(yīng)堆中通過核應(yīng).e+ pe+ + n首次觀察到了中微子。中微子與電子中微子e是否相同的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是在1962 年, 由Lederman ,Schwartz 和Steinberger 等人完成的。他們?cè)诓剪斂撕Ｎ膶?shí)驗(yàn)室,用15GeV 的質(zhì)子束打鈹靶產(chǎn)生介子束,介子衰變?yōu)樽雍椭形⒆? 中微子通過15 噸的

3、火花室后可產(chǎn)生帶電的,而不是電子,從而證明不同于e,為此他們獲得了1988年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。20世紀(jì)90年代,LEP和SLC通過Z0衰變寬度的測(cè)量,證明了中微子只有三代(N=3.00±0.06) 。2000 年,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Donut實(shí)驗(yàn)探測(cè)到了中微子。2、從太陽中微子丟失到中微子振蕩太陽的能源來自氫核聚變, 通過反應(yīng)4H+2e-4He+2e 實(shí)現(xiàn)的,因而產(chǎn)生大量的電子中微子。中微子通量為6.51010cm-2s-1。這一過程能很好地用太陽模型描述。測(cè)量太陽中微子的先驅(qū)是R. Davis。在1970年,他用615噸c2cl4作探測(cè)器,通過e+37cle-+37Ar反應(yīng),尋找放射性的3

4、7Ar原子。他終于找到了, 從而探測(cè)到了來自太陽的中微子。因此,他獲得了2002 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們?cè)跍y(cè)量太陽中微子數(shù)量時(shí),發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的中微子數(shù)量只有預(yù)期的三分之一。三分之二的太陽中微子丟失到哪里去了？一直成為一個(gè)謎, 令物理學(xué)家困惑。為了排除低能太陽中微子沒有被探測(cè)到的可能,科學(xué)家對(duì)探測(cè)器不斷進(jìn)行改進(jìn), 設(shè)法降低探測(cè)器閾值。人們還檢查了太陽模型, 并沒有發(fā)現(xiàn)什么問題。1990 年GALLEX和SAGE 實(shí)驗(yàn),通過反應(yīng)e+71Gae-+71Ga再一次證明了太陽中微子的丟失現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)丟失了約50 %。繼而又被更低閾值(水切侖科夫探測(cè)器) 的神岡實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。為了解釋這一丟失現(xiàn)象,一種被廣泛認(rèn)

5、可的理論是:太陽中微子自發(fā)射到地球這段距離, 一部分電子中微子轉(zhuǎn)換成另一種中微子,例如中微子。這種由一種輕子到另一種輕子的轉(zhuǎn)換有點(diǎn)像K0到K0介子的轉(zhuǎn)換一樣,也稱振蕩。2001年SNO重水探測(cè)器,利用中微子-電子散射,可以區(qū)別e+2H2p+e-以及x+2Hp+n+x兩種過程。實(shí)驗(yàn)證明有的太陽中微子(e)轉(zhuǎn)換成了其32他中微子,給出中微子振蕩的有力證據(jù)。中微子振蕩現(xiàn)象還在其他類型中微子源的實(shí)驗(yàn)中觀察到。1998年, 日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)觀察到了大氣中微子振蕩的證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)在很深的礦井下進(jìn)行,探測(cè)器使用5萬噸水和一萬多個(gè)光電倍增管組成的切侖科夫計(jì)數(shù)器, 發(fā)現(xiàn)在飛行過程中丟失,轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆印?/p>

6、2000年, K2K實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了加速器產(chǎn)生的中微子在飛行中丟失, 發(fā)生振蕩。該實(shí)驗(yàn)是用KEK加速器產(chǎn)生1GeV 的束,對(duì)準(zhǔn)超級(jí)神岡,發(fā)現(xiàn)在飛行250千米后丟失了30 % ,轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆印Ｉ駥綔y(cè)器和IMB合作組還在1987年觀察到了1987A超新星爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的中微子,為天體物理,宇宙學(xué)的研究提供了重要信息。由于神岡實(shí)驗(yàn)對(duì)中微子做出的貢獻(xiàn),該實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始人小柴昌俊分享了2000 年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。2002年, KamLAND實(shí)驗(yàn)也觀察到了反應(yīng)堆中微子(e)的振蕩。該實(shí)驗(yàn)使用一千噸的液體閃爍體為探測(cè)器, 反應(yīng)堆距探測(cè)器180千米, 發(fā)現(xiàn)近40%的e丟失,轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌兜赖闹形⒆印Ｒ陨系拇罅繉?shí)

7、驗(yàn)證明,中微子振蕩已是千真萬確的事實(shí)。3、標(biāo)準(zhǔn)模型中的中微子粒子物理在上一世紀(jì)60年代以來取得的重大進(jìn)展是建立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。 描述粒子相互作用基本理論是標(biāo)準(zhǔn)模型。到目前為止,它被幾乎所有的精確的加速器實(shí)驗(yàn)結(jié)果所支持。標(biāo)準(zhǔn)模型概括了物質(zhì)世界是由62種粒子構(gòu)成,它們之間的原始相互作用有4種。構(gòu)成物質(zhì)世界的62種粒子分為3類:規(guī)范玻色子、費(fèi)米子、Higgs粒子。費(fèi)米子共24個(gè),分屬3代,每一代費(fèi)米子包含1個(gè)中微子、1個(gè)帶負(fù)電輕子、3個(gè)帶2/ 3電荷的夸克和3 個(gè)帶- 1/ 3 電荷的夸克。弱相互作用過程中顯現(xiàn)出來3代夸克的混合,但沒有發(fā)現(xiàn)3代輕子之間有代的混合。3代夸克之間有代的混合的原因是

8、所有的夸克都是有靜止質(zhì)量的,3 代輕子之間沒有代的混合的原因是中微子沒有靜止質(zhì)量。到2002年1月1日以前對(duì)3代中微子質(zhì)量直接測(cè)量值分別為：m (e) <3eV,m () <0.19MeV, CL =90 %,m () <18.2MeV, CL =95 %確實(shí)和沒有靜止質(zhì)量是一致的。費(fèi)米子的自旋在運(yùn)動(dòng)方向的投影稱為螺旋度,如果費(fèi)米子有靜止質(zhì)量,左旋費(fèi)米子和右旋費(fèi)米子可以互相轉(zhuǎn)化。按照標(biāo)準(zhǔn)模型,中微子確實(shí)嚴(yán)格是沒有靜止質(zhì)量的,中微子永遠(yuǎn)是左旋的,它只參與弱相互作用,它不能轉(zhuǎn)化成右旋的中微子。當(dāng)然反中微子永遠(yuǎn)是右旋的。如果中微子有靜止質(zhì)量,則右旋中微子將既不能從強(qiáng)相互作用或電磁相

9、互作用中產(chǎn)生,也不能從弱相互作用中產(chǎn)生,它只能由左旋中微子通過不為零的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化而成。如果中微子有即便是很微小的靜止質(zhì)量的一個(gè)重要后果是可以造成3代輕子之間也會(huì)有代的混合,它將表現(xiàn)為中微子振蕩。4、中微子質(zhì)量和中微子振蕩1962年日本物理學(xué)家Z. Maki 等人提出了中微子振蕩的概念。他們認(rèn)為中微子在空間傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩或稱混合。人們觀察到的味道本征態(tài)是一個(gè)質(zhì)量本征態(tài)的線性組合。每一味道成分有不同發(fā)生的頻率。當(dāng)距離增加時(shí),中微子味道成分將隨質(zhì)量本征態(tài)相位的變化而變化。這種味道的遷移稱為中微子振蕩。前面已經(jīng)說過,中微子有振蕩的事實(shí)已被證實(shí),因而可得出中微子質(zhì)量不為零的結(jié)論,這與標(biāo)準(zhǔn)模型假定中微

10、子質(zhì)量為零的假設(shè)相矛盾。這是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型極大的挑戰(zhàn)。中微子振蕩也說明輕子數(shù)不守恒是存在的,這一點(diǎn)也是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的突破。如果中微子有質(zhì)量,即使其質(zhì)量很小,也就有可能帶來代的混合。非常精確的加速器實(shí)驗(yàn)表明,自然界中存在三種中微子:電子中微子、中微子和中微子。為確定起見,討論兩代混合的情形,如果與e-相聯(lián)系的中微子是e,與-相聯(lián)系的中微子是,但e和都不是質(zhì)量的本征態(tài)。令中微子的兩個(gè)質(zhì)量本征態(tài)是|1和|2。代的混合可表為：|e= cos|1+ sin|2|= - sin|1+ cos|2如果t = 0 時(shí)產(chǎn)生了e ,可以表為 |(0)= |e= cos|1 (0)+ sin|2 (0)經(jīng)過t 時(shí)間后,態(tài)

11、演化為|(t)= cos|1 (t)+ sin|2 (t)= cose- iE(1) t|1 (0)+ sine- iE(2) t|2 (0)其中E(1)=E(2)=m1m2, E1E2,這時(shí)中微子態(tài)中就包含有的成分:|( t)= (cos2e-iE(1) t+sin2e-iE(2) t) |e+sincos(e-iE(1) t-e-iE(2) t) |這時(shí)存在的概率為：|( t)|= (1/2)sin21-cos( E(1) - E(2) ) t 22這概率隨時(shí)間作振蕩, 最小時(shí)為零, 最大時(shí)為sin22. 如果混合角是45°,最大時(shí)為1 ,即表現(xiàn)為純態(tài)。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)給出的中微子的質(zhì)量

12、很小,實(shí)際上遠(yuǎn)小于衰變所放出中微子的動(dòng)量,即mi p ,這樣：(E(1)-E(2)t=p+m122p-p-m222pt=m1-m22p22t考慮到中微子實(shí)際以光速運(yùn)動(dòng), t 時(shí)間走過的距離L = t ,上式可以寫作：|( t)|=sin2sin222m1-m24p22L即觀察到 的概率隨走過的距離作振蕩. 振蕩的周期長度為：4pm-m2122如果m12-m22=m2以eV2 為單位, p 以MeV為單位,則上式可表為數(shù)字式為：2.48p (MeV)m(eV)22單位為m. 從這式子可以看出,如果m2是eV2量級(jí)或更小的量,中微子振蕩的周期可以是一個(gè)宏觀的距離.如果中微子是通過原子核反應(yīng)或衰變而

13、來的,則中微子的能量和動(dòng)量是MeV 的量級(jí),當(dāng)它運(yùn)動(dòng)一段距離后再去和其他粒子碰撞時(shí),其中e的成分還可以通過弱相互作用再產(chǎn)生電子, 的成分則應(yīng)通過弱相互作用而產(chǎn)生子。但由于子的產(chǎn)生閾很高,這個(gè)過程不能發(fā)生,這樣仍然只能觀察到產(chǎn)生了電子。中微子振蕩表現(xiàn)為產(chǎn)生的電子數(shù)比無振蕩時(shí)要小。 5、三代中微子的混合標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子有三代,因此應(yīng)該考慮三代中微子的混合。雖然標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子質(zhì)量為零, 而在我們考慮中應(yīng)允許中微子帶有質(zhì)量。我們觀察到的三種中微子e，是中微子味道本征態(tài)，它是三種中微子質(zhì)量本征態(tài)1 ，2 ，3（帶有質(zhì)量m1，m2 ，m3）的線性組合。一個(gè)的復(fù)數(shù)幺正矩陣U將味本征態(tài)和質(zhì)量本征態(tài)聯(lián)系起

14、來，通稱U為中微子混合矩陣：e 1 0 0=U0cos23-sin231 2 3=cos13sin23 0icos23-esin13010e-isin13cos12 0 -sin12cos130sin12cos12010( )2 13 在形式上，U與稱為夸克混合矩陣的CKM矩陣相似，該矩陣可以用三個(gè)混合角12 ，13，23和CP破壞相角 來表示。如果中微子是Majorana粒子，還需要加上CP破壞相角1 和2。222 我們從三種中微子的振蕩測(cè)量中分別可得到m12 ，m23 ，m13 ，（三個(gè)中兩個(gè)是獨(dú)立的）。為了精確了解中微子振蕩的定量關(guān)系和中微子的質(zhì)量，我們需要通過大量實(shí)2驗(yàn)來精細(xì)測(cè)量混合角

15、 和質(zhì)量差m2 。12 和 m12可通過太陽中微子振蕩實(shí)22驗(yàn)；23 ，m23 可通過大氣中微子振蕩和加速器中微子振蕩實(shí)驗(yàn)；13 ，m13可通過反應(yīng)堆中微子振蕩實(shí)驗(yàn)分別給出。6、大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)主要目標(biāo)為了得到更精確的值和m 值,確認(rèn)是否存在中微子的CP 破壞,是否存在第四種中微子,這都需要更多的, 更新的數(shù)據(jù)。一些大型實(shí)驗(yàn)已建成, 或即將建成, 如MINOS ,OPERA ,ICARUS 和JHFnu 等。其特點(diǎn)是加速器束流強(qiáng),能量高,可產(chǎn)生較多的 ,探測(cè)器尺寸較大,質(zhì)量大,探測(cè)中微子效率高,分辨率高。在三個(gè)混合角中大家十分關(guān)心13 的值, 因其是混合矩陣重要的參數(shù)之一, 其值很小,測(cè)量的難度也增加了。目前給出的精度很差。只有精確地確定13值才能給出完整的U 矩陣, 才可以了解與CKM 矩陣的區(qū)別。13的大小與中微子CP 破壞直接有關(guān),對(duì)了解中微子是否存在