PDF《反应堆中微子》

200 微秒)慢化而被原子核俘获,俘获后形成不稳定核素

23 中微子研究与进展

27 卷第

6 期(总162 期)会释放出伽玛光子(γ)而形成一个慢信号,快慢信 号的时间符合测量能够大大降低实验本底. 在粒子物理的标准模型中,一共有三种味道的中 微子,即电子中微子(ve)、缪子中微子(vμ)和陶子 中微子(vτ),分别与电子、缪子和陶子三种轻子对应.

1957 年,庞蒂科夫(B. Pontecorvo)提出,假如中微子 有质量,那么可以在飞行过程中由一种中微子变成另 一种中微子.1968 年,美国布鲁克海文实验室的戴维 斯(R. Davis)在美国 Homestake 金矿中,用一个

600 吨四氯乙烯探测器,观测到了来自太阳的中微子 , 他发 现测量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".1985 到1994 年间,日本的神 冈(Kamiokande)实验测量到了大气中微子的丢失, 被称为"大气中微子反常".对这些现象,其中一个 可能的解释是中微子振荡,即中微子转变成了另外一种 中微子而没有测量到,造成中微子丢失的现象.对于能 量为 E(MeV)的中微子,在飞行一段距离 L(m)被 探测后发现仍然是同一种中微子的几率为: Psur=1-sin2 2θ sin2 1.27Δm2 L E , 这个几率通常被称为中微子存活几率,其中 θ 为两 种中微子的混合角,决定了中微子振荡幅度的大小;

Δm2 是两种中微子的质量平方差,决定了中微子振荡 发生所需要的飞行距离.中微子振荡的研究非常重要. 在粒子物理标准模型中,中微子是没有质量的,不会 发生振荡现象,而太阳中微子丢失和大气中微子丢失 现象分别表明中微子可能存在振荡,从而具有质量, 这是唯一超出标准模型的实验现象. 太阳中微子丢失现象表明中微子质量平方差可能 范围为 10-5 ~ 10-10 eV2 ,而大气中微子丢失现象表明 质量平方差可能范围是 10-1 ~ 10-3 eV2 .为了验证中 微子丢失现象,法国的 CHOOZ 实验利用反应堆中微 子来测量振荡几率.反应堆中微子的能量平均值约为

3 MeV,CHOOZ 探测器距离反应堆的距离,也就是 所探测中微子的飞行距离约为

1 km.如果大气中微子 丢失是由于缪中微子振荡到电子中微子(vμ→ve),那么CHOOZ 实验应该观测到明显的反应堆发出的电子 中微子的丢失.CHOOZ 实验利用的两个反应堆总功 率为 8.5GW,探测器靶物质重为

5 吨,另外为了压低 宇宙线本底,探测器放置在地底下

100 多米处.实验 采用了掺钆(Gd)液闪,与普通液闪相比,中子俘获 释放的能量由 2.2 MeV 提高到了 8MeV,俘获时间由

200 微秒缩短到了

30 微秒,这大大提高了本底的排除 能力.但是往有机物液闪中掺入无机金属钆会导致液 闪不稳定,因此 CHOOZ 实验只运行了一年就因为液 闪性能下降而终止.CHOOZ 实验在

1999 年发布最终 结果,观测到了约

3000 个中微子候选事例,与预期 中微子事例和能谱相比,并没有看到中微子振荡的现 象.大概在同一时间进行的还有美国的 Palo Verde 实验,实验利用三个反应堆,总功率为 11.6GW,基线 长度为

750 ~

890 m,使用了一个靶物质为 11.3 吨掺 钆液闪的探测器.Palo Verde 实验在

1999 年发布结果, 同样没有发现反应堆中微子的振荡.这两个实验表明 在1km 处反应堆中微子振荡模式跟大气中微子振荡 模式不是同一回事.

1998 年神冈实验升级后的超级神冈实验精确测得 了缪中微子数目随飞行距离的变化关系,证实了大气 中微子振荡.2001 年,加拿大 SNO 实验测量到了太 阳中微子实验在探测器内发生的三个过程,发现电子 中微子确实丢失了,但是三种中微子的总量并没有变 化,说明是电子中微子振荡成了其他中微子.这两个 实验因证实中微子振荡现象,而获得了