PDF《大亚湾与江门中微子实验》

中国科学: 物理学 力学 天文学

2014 年第44 卷第10 期: 1025C1040 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica &

Astronomica phys.

scichina.com 引用格式: 曹俊. 大亚湾与江门中微子实验. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2014, 44: 1025C1040 Cao J. Daya Bay and Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) neutrino experiments (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2014, 44: 1025C1040, doi: 10.1360/SSPMA2014-00174 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINAPRESS 数理相关领域大科学装置专辑・评述 大亚湾与江门中微子实验 曹俊* 中国科学院高能物理研究所, 北京

100049 *联系人, E-mail: [email protected] 收稿日期: 2013-05-23;

接受日期: 2014-07-08;

网络出版日期: 2014-08-27 国家自然科学基金(批准号: 11225525, 11390381)、中国科学院重要方向性项目(编号: KJCX2-EW-T07)和国家重点基础研究计划(编号: 2013CB834301)资助项目 摘要 中微子物理是粒子物理中最活跃的分支之一, 存在众多未解之谜, 可能成为超出标准模型的新 物理的突破口. 本文总结了中微子物理的现状和主要的科学问题, 着重介绍了我国正在进行的大亚湾中 微子实验和建造中的江门中微子实验. 通过研究反应堆中微子,

2012 年大亚湾实验发现新的中微子振荡, 测得了中微子混合角?13. 本文介绍了大亚湾实验的物理背景和项目背景, 简述了实验方法和设计思想, 并描述了探测器设计和建造. 许多新的想法和技术创新在探测器设计与建造中采用, 使探测器相关的相 对误差仅为 0.2%. 在未来几十年内, 大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度. 江门中微子实验

2008 年提出建议,

2013 年正式启动. 通过在

53 km 处探测反应堆中微子振荡, 它将能确定中微子质量顺 序, 并精确测量 3个中微子混合参数. 采用一个设计能量精度为3%的2*104 t液体闪烁体探测器, 江门实 验在研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子、以及奇异现象寻找方面也极具吸引力. 它将对多个物理目标进行国际领先水平的研究. 文中我们介绍了实验设计和研发的进展. 除了大亚湾和 江门实验, 我们也参与了无中微子双贝塔衰变实验 EXO, 设计了一个新式的加速器中微子束流线, 进一 步扩展了中微子研究. 关键词 中微子, 中微子振荡, 中微子混合, 反应堆, 大亚湾 PACS: 14.60.Pq, 29.40.Mc, 28.50.Hw, 13.15.+g doi: 10.1360/SSPMA2014-00174

1 引言 中微子是构成物质世界的最基本的单元之一. 与其他基本粒子――夸克和带电轻子相比, 它们性质 独特, 而且很难探测, 是人们了解最少的粒子, 存在 众多未解之谜. 对中微子未知问题的研究, 不仅将完 善我们对物质世界最基本规律的认识, 也很有可 能导致对现有粒子物理理论体系――标准模型的突 破, 踏入新物理的大门. 步入

21 世纪, 中微子研究蓬 勃发展, 成为粒子物理最重要的分支之一, 而且扩展 到天文学、 宇宙学、 地球物理等多个学科, 形成了 中 微子科学 . 曹俊: 大亚湾与江门中微子实验

1026 中微子的实验研究有

60 多年的历史, 取得了许 多重大发现, 包括发现

3 种中微子、发现中微子 振荡等, 先后

3 次被授予诺贝尔奖. 我国的中微子实 验研究起步很晚, 但取得了举世瞩目的成绩.

2003 年 提出进行大亚湾反应堆中微子实验的构想,

2011 年底 实验建成, 短短

2 个多月后就发现了新的中微子振荡 模式[1] , 震惊了国际粒子物理界, 被美国 Science 杂志 评为当年的十大科学突破[2] .

2008 年大亚湾实验刚开 始建设, 我们就提出了下一步测量中微子质量顺序 的设想[3,4] . 大亚湾实验发现中微子混合角?13 远大于 预期, 大大提高了该设想的可行性.

2013 年江门中微 子实验(JUNO)得以立项, 预期

2020 年建成. 它以确 定质量顺序和精确测量混合参数为主要物理目标, 同时可以开展超新星中微子、太阳中微子、地球中微 子、大气中微子等多项国际领先水平的研究. 最近我 们提出了一种崭新的加速器中微子产生方法, 正在 开展前期研究;

通过国际合作参与无中微子双贝塔 实验, 以研究中微子的粒子本性. 这些研究涵盖了中 微子物理中的大部分重大问题. 可以预期, 在未来的一二十年, 中微子实验物理 将取得丰硕的成果, 而我国将在这一领域做出重大 贡献, 成为国际中微子研究的中心之一.

2 中微子物理 中微子共有

3 种, 分别是电子中微子(?e)、缪中 微子(??)和陶中微子(??). 它们与对应的

3 种带电轻子 e, ?, ?以及

6 种夸克一起构成了物质世界的基本 单元.

1930 年, 为了解释贝塔(?)衰变中能量似乎不守 恒, 奥地利物理学家泡利提出可能存在一种不带电、 质量非常轻、几乎不与物质相互作用的粒子, 称之为 中微子.

1956 年柯万和雷因斯首次直接探测到中微子, 雷因斯因此获得了

1995 年的诺贝尔奖. 他们探测到 的是由核反应堆释放的电子反中微子.

1962 年, 莱德 曼、 施瓦茨和斯坦伯格在布鲁克海汶实验室用加速器 发现了第二种中微子――缪中微子, 获得了

1988 年 的诺贝尔奖.

1989 年, 欧洲核子研究中心通过 Z0 衰变 截面的测量, 证明存在且只存在

3 种中微子. 最后一 种中微子――陶中微子直到

2000 年才被美国费米实 验室的 DONUT 实验发现. 现在中微子的实验研究大致可以分成两类, 一 类是中微子振荡研究, 另一类是非振荡物理, 包括绝 对质量的测量、无中微子双贝塔衰变(0???)、寻找惰 性中微子、寻找非标准相互作用和反常磁矩, 以及中 微子天文学等. 2.1 中微子振荡 在标准模型中, 中微子是没有质量的.

1956 年李 政道和杨振宁预言宇称不守恒, 很快被吴健雄用实 验证实. 实验发现在弱作用中宇称不仅不守恒, 而且 是最大破坏的. 造成这一现象的原因实质是只存在 左手螺旋度的中微子(即它的自旋总是与运动方向相 反), 不存在右手中微子. 这只有中微子质量为零才 能成立, 因为质量不为零的话, 那么中微子的速度必 然小于光速, 可以选择一个比它还快的参考系, 让它 的螺旋度发生翻转. 根据这一现象, 李政道和杨振宁 提出了弱作用的 V-A 理论, 被标准模型所继承, 与各 种实验数据符合非常好. 因此, 一直到发现中微子振 荡, 我们都认为中微子是没有质量的. 庞蒂科夫在

1957 年提出, 假如中微子有微小的 质量, 而且存在不同种类的中微子, 就有可能会出现 中微子振荡现象, 即一种中微子在飞行中会变成另 一种中微子.

1968 年, 布鲁克海汶实验室的戴维斯在美国 Homestake 的一个废旧金矿中观测到了来自太阳的中 微子, 他发现测到的中微子个数只有预期的三分之 一, 称为 太阳中微子失踪之谜 . 中微子振荡是一个 很自然的解释, 然而定量的研究发现, 这个解释存在 很多矛盾的地方, 不同实验的结果也相互矛盾.

1978 年, 美国理论物理学家沃芬斯坦注意到电子中微子 在物质中会受到电子的散射, 将改变中微子的振荡 效应.

1986 年, 前苏联的理论物理学家米赫耶夫和斯 米尔诺夫将这个想法用于解释太阳中微子问题. 后 来人们才意识到, 这些实验看到的太阳中微子振荡 并不是在从太阳飞到地球的过程中发生的(真空振 荡), 而是在太阳内部的物质场内发生的, 这样原来 矛盾的地方就可以得到解释.

1988 年日本神冈实验发现测得的大气缪中微子 比预期少, 称为 大气中微子反常 .

1998 年升级后的 超级神冈实验精确测得了缪中微子数随天顶角(即飞 行距离)的变化关系, 以确凿的证据发现了大气中微 子振荡.

2001 年, 加拿大 SNO实验同时探测太阳中微 子在探测器内发生的

3 种过程, 发现电子中微子确实 中国科学: 物理学 力学 天文学

2014 年第44 卷第10 期1027 丢失了, 但中微子的总数并没有变.

2002 年日本 KamLAND 实验用反应堆中微子证实了太阳中微子 振荡模式.

2003 年日本 K2K 实验和

2006 年美国 MINOS 实验也用加速器证实了大气中微子振荡模式. 中微子振荡现象被大量实验证据所确立. 中微子振荡间接说明中微子有质量, 这是目前 发现的唯一超出粒子物理标准模型的实验现象. 中微子振荡是一种量子相干现象. 中微子本身 不能被探测, 它的产生和探测必须通过弱相互作用, 因此, 产生时和被探测时都是味本征态. 中微子有质 量, 但是味本征态没有理由与质量本征态正好重合. 这样, 一个味本征态可以看作是

3 个不同质量本征态 的线性叠加. 在中微子以非常接近光速飞行时, 不同 质量本征态的物质波固有频率不同, 飞行一段距离 后, 由于量子相干的结果, 将会出现其他味本征态的 分量, 即有一部分变成了其他种类的中微子. 微观的 量子干涉现象能够在宏观上表现出来, 主要得益于 中微子的质量非常轻, 与光速的差别一般小于

10 的 负十几次方, 不同质量的中微子飞行速度相差无几, 在长距离飞行后仍然能保持相干性.

3 种味本征态由

3 种质量本征态组合, 可以表示 为123,eU?????????????????????????????其中(?e, ??, ??)是味本征态, (?1, ?2, ?3)是质量分别为 m1, m2, m3 的质量本征态. U 是一个 3?3 的幺正混合矩 阵, 称为 PMNS 矩阵. 为了使物理意义更清楚, 可以 将混合矩阵参数化为

3 个欧拉转动矩阵的积:

23 23

23 23 i

13 13 i

13 13

12 12

12 12

1 0

0 0 cos sin

0 sin cos cos

0 e sin

0 1

0 e sin

0 cos cos sin

0 sin cos

0 ,

0 0

1 U ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ........