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中微子研究与进展 加速器中微子 何 苗 （中国科学院高能物理研究所 100049） 加速器是研究微观世界的重要工具。缪中微子与陶中微子均是通过质子加速后打靶产生介子衰变被首次发 现。加速器产生的中微子束流，具有能量高、流强大、方向性好等特点，因此非常适用于进行中微子的研究。 国际上短基线加速器实验被应用于研究中微子与物质的相互作用，以及寻找新型中微子等。而长基线实验则主 要用于研究中微子振荡和测量振荡参数。下一代加速器中微子实验将致力于提高中微子流强和探测器体积及性 能，从而研究中微子质量顺序和轻子 CP 破坏等重要的物理问题。 粒子加速器与中微子 个重要研究方向。1962 年，美国科学家施瓦茨（M. 高能粒子加速器是研究微观物质世界的重要工 Schwartz）、莱德曼（L. Lederman）和斯坦伯格（J. 具。从 20 世纪 30 年代开始，科学家们就开始设计和 Steinberger）领导的研究小组利用布鲁克海文实验室 建造各种粒子加速装置，把几乎静止的粒子加速成为 的交变梯度同步加速器产生 15GeV 的质子束流。束流 高能量的“炮弹”并轰击静止的“靶”物质，观测原 轰击铍靶产生介子，并进一步衰变产生中微子。研究 子核被击碎后产生的各种新粒子或新物理现象。之后 人员在中微子与物质发生相互作用的产物中找到了缪 又发展起来了对撞机的技术，将两束粒子分别加速之 子，而不是电子。由于轻子数守恒，这意味着存在一 后再让它们迎头撞击，使得相同加速器功率下的质心 种新型的中微子——缪中微子。这一重要发现以及产 系能量大大提高。2012 年，位于法国和瑞士边界的欧 生中微子束流的方法为以上三位科学家共赢得了 1988 洲核子中心，正是利用周长达到 27 千米的环形质子 年诺贝尔物理奖。2000 年，美国费米实验室的万亿电 对撞机发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子，填 子伏特加速器（Tevatron）将质子加速到更高的能量 补了粒子物理标准模型的最后一个缺口。而 1988 年 （800 GeV），并在其打靶的产物中找到了第三种中 建成的北京正负电子对撞机及其后续的升级改造，也 微子——陶中微子，成为标准模型中的重要成员。 对粲夸克和陶轻子的研究做出了重要贡献。 加速器产生的中微子束流，具有能量高、流强大、 加速器在中微子的领域大显身手始于 20 世纪 60 方向性好等特点，因此非常适用于进行中微子的研究。 年 代。1956 年， 莱 因 斯（F. Reines） 与 柯 温（C. L. 传统的用于产生中微子束流的装置，由质子束流、靶、 Cowan）在反应堆旁边首 次观测到了电子型（反） 聚焦管道、衰变通道、垃圾站五部分组成（如图 1 所示）。 中微子。之后，中微子是否存在不同的种类成为一 其中质子束流正是来自于加速器。质子撞击的“靶” 应堆非常近，通常为几米到十几米，可以测量对应于 Δm221，发现了 θ13 非零并且精确测量了这最后一个最 质量平方差 Δm2≈1 eV2 的地方是否有新的中微子振荡。 小的中微子混合角。在未来的一二十年间，科学家 科学家们利用反应堆中微子第一次从实验中证 们将利用反应堆中微子决定中微子的质量等级，并 实了中微子的存在，揭开了中微子实验研究的序幕。 且进一步精确测量 6 个振荡参数中的 4 个：sin2 θ12、 在之后的几十年间，科学家们利用反应堆中微子验证 Δm221、sin2 θ13 和 Δm231，以完善三代中微子振荡理论 了太阳中微子的振荡模式，测量了振荡参数 sin2 θ12、 模型。除此之外，还将验证是否有惰性中微子存在。 27 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 Weinberg）、萨拉姆（A. Salam）和 格 拉 肖（S. Glashow） 带 来 了 1979 年诺贝尔物理奖。 在标准模型中，中微子没有质量。 然而，从电子中微子和缪子中微子被 发现不久开始，牧二郎（Z. Maki）、 图1 加速器产生中微子 中川昌美（M. Nakagawa）、坂田昌 通常由耐高温的材料制成，如石墨等，以抵抗高功率 一（S. Sakata）和庞蒂科夫（Pontecorvo）等几位科学 束流带来的巨大的热量。碰撞产生的不同方向的带电 家就已经提出了不同类型的中微子之间可以互相转化， 介子通过一个加磁场的聚焦管道变成同一个方向。 或者说中微子发生振荡变成另一种类型，而这种情形 聚焦管道通常设计成牛角的形状，使得不同横向动 必须在中微子质量不为零的前提下才能出现。因此， 量的粒子都能够得到聚焦，而改变磁场方向则可以 后期的短基线加速器实验也同时承担了搜寻中微子振 按需挑选出带正电或带负电的介子。聚焦后的介子 荡的任务。其中大部分实验都没有发现中微子的类型 在数百米长的衰变通道中产生中微子或它的反粒子。 发生改变，仅有的例外是美国的 LSND 和 MiniBooNE 最后，尚未衰变的介子跟其他除中微子以外的衰变 实验。这些短基线的实验结果无法用现有的三代中微 产物一起被传送到厚重的垃圾站中被吸收，避免造 子振荡来解释，而必须引入第四代甚至第五代中微子， 成放射性的污染。 因此成为了探索更多种类中微子的重要线索。 短基线加速器物理和实验 长基线加速器物理和实验 在发现缪中微子之后，世界各地建造了多条加 1998 年，日本的梶田隆章（T. Kajita）代表超级 速器中微子束流，并将中微子探测器放置在距离束流 神冈（Super-Kamiokande）国际合作组在第十八届国 很近的地方，通常相隔只有几十米，用于研究中微子 际中微子大会上给出了大气中微子振荡的证据。2001 与物质发生的相互作用（如图 2 所示）。中微子飞 年 和 2002 年， 加 拿 大 的 麦 克 唐 纳（A. McDonald） 行的距离又叫基线，所以这样的实验一般被称为短基 领 导 的 萨 德 伯 里 中 微 子 观 测 站（Sudbury Neutrino 线中微子实验。短基线实验在标准模型建立的过程 Observatory）国际合作组先后发表两篇文章，证实了 中起到了至关重要的作用。例如，1973 年，欧洲核 太阳中微子振荡。这两个重大发现揭示了中微子存在 子中心观测到加速器缪子与强子或电子通过“中性 质量，超出了人们对物质世界的认识，为新物理打开 流”发生弱相互作用的 过程，成为电弱统一理论的重 了一扇窗户。梶田隆章和麦克唐纳也因此分享了 2015 要证据，并为电弱统一理论的三位创始人温伯格（S. 年诺贝尔物理奖。 大气中微子是由宇宙这个天然的粒子加速器产 生的。高能的宇宙射线（主要是质子）穿过地球附 近，与地球大气层发生相互作用产生介子，再进一步 衰变产生中微子。中微子振荡具有周期性，振荡频率 由两种中微子的质量平方差决定，振荡幅度则由中微 子的混合角确定，振荡几率和中微子的传播距离 L 与中微子能量 E 之比有关。超级神冈观测到的大气 中微子振荡对应的两种中微子的质量平方差在万分 图 2 缪 中 微 子 与 电 子 的 中 性 流 反 应（ 图 片 来 源：Phys. Lett. 46B 121） 现代物理知识 之五到千分之六 eV 2 之间，第一个振荡极大值位于 L/E ≈ 200~2000 km/GeV 附近。也就是说，如果利用 28 中微子研究与进展 加速器产生能量为 1 GeV 的中微子，那么探测器需要 到了电子中微子，即 θ13 不为零，置信度为 2.5 倍标准 放置在数百千米之外才能得到最好的探测效果，因此 偏差。除了观测缪中微子到电子中微子的振荡之外， 这样的实验被称为长基线加速器实验。 T2K 还通过观测缪中微子的消失大大提高了质量平方 国际上第一个长基线加速器实验是日本的 K2K 实 差 Δm232 和混合角 θ23 的测量精度，其中 θ23 的精度为 验。中微子束流由位于东京附近的高能加速器研究机 目前的世界之最。2014 年，T2K 将自己的缪子到电子 构（KEK）提供，探测器位于日本西部神冈（Kamioka） 中微子振荡的数据与反应堆实验测量电子中微子消失 的一个矿井中，也就是超级神冈使用的探测器，主体 的结果进行联合分析，结果暗示描述轻子宇称 - 电荷 部分为 5 万吨纯水，通过观察中微子与水发生带电流 共轭（CP）破坏的相角在 270º 附近。 作用产生带电轻子并发出的切伦科夫光来测量中微子 在 T2K 公 布 找 到 电 子 中 微 子 后 不 久， 美 国 的 的方向、能量并鉴别中微子的种类。束流平均能量为 1.4 MINOS 实验也发表了类似的结果，显著性为 1.7 倍 GeV，飞行距离约为 250 km。2003 年，K2K 首次公布 标准偏差。MINOS 探测的中微子束流来自于著名的 实验结果，观测到了缪中微子的消失：预期可以看到 费米国家实验室，基线长度达到 735km（如图 4 所示）。 158 个事例，实际只看了 112 个事例。 同时，不同能量的中微子消失几率不 一样，与中微子振荡的理论及超级神 冈测到的中微子振荡参数完全一致。 这是国际上首次通过人工的中微子 东海 源证实大气中微子振荡。 随 后， 日 本 在 KEK 东 北 方 向 的东海（Tokai）建立了质子加速器 研究机构（J-PARC），将束流功率 提高到 100 千瓦量级，可以产生更 多的中微子。中微子平均能量约为 600MeV， 到 超 级 神 冈 的 距 离 295 图3 km（如图 3 所示）。束流方向并不 日本 T2K 实验 是正对超级神冈探测器，而是设计 成 2.5º 的夹角，这样虽然损失了部 NOνA 远点探测器 分中微子流强，但中微子的能量更 810 km MINOS 远点探测器 735 km 加集中，有利于探测最后一个未知 的混合角 θ13。新一代的长基线加速 器 实 验 T2K 于 2010 年 开 始 运 行。 然 而，2011 年 3 月 日 本 发 生 大 地 震，加速器被损坏，实验被迫暂停。 2011 年 7 月，T2K 根据已经获取的 费米国家实验室 数据公布了首次实验结果，在干净 的缪中微子束流中找到了 6 个电子 中微子，而预期的本底只有 1.5 个。 图 4 美国 MINOS 实验和 NOνA 实验 这个结果表明缪中微子很可能振荡 29 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 探测器位于明尼苏达州苏丹的一个矿井中，由总共 径迹重建和粒子识别能力，代表了下一代加速器中 5400 吨铁和闪烁体交替排列而成，对于缪中微子的 微子实验的发展方向。 加速器中微子的未来 探测能力远好于电子中微子。事实上，MINOS 早在 2005 年就开始运行，是国际上第一个分别观测到正 尽管现代的加速器中微子实验才开始运行不过 反缪中微子消失的实验，还曾经报道过正反中微子 几年时间，下一代实验的规划和设计早就已经开始 的消失几率有 98% 的可能性不一样。这可是一个不 了。下一代加速器实验试图解决中微子和中微子振荡 亚于中微子超光速的新闻，因为它打破了描述基本 研究中遗留的几大难题，如中微子的质量顺序（Mass 粒子最基本的 CPT 定理。好在 MINOS 增加了数据 Hierarchy）、轻子 CP 破坏、是否存在三代以外的中 量之后，发现两者又趋于一致，之前看到的差别只 微子、θ 23 是否等于 45º 等。这些难题对实验提出了更 能用实验数据的涨落来解释。MINOS 的探测器正对 高的要求。例如，CP 破坏只会对中微子振荡的行为 束流方向，能谱比较宽，因此更加有利于测量中微 产生小的改变，只有当发生振荡的次数足够多了之后， 子的振荡频率，从而给出了世界上最精确的 Δm 32 的 才有可能体现出 CP 破坏的效果。尽管 T2K 和 NOνA 测量结果。 已经对 CP 相角可能的范围给出了一点点的暗示，但 2 与 MINOS 相隔不远的 NOνA 实验，同样探测来 这样的暗示实在太不明显了，更何况这个结果还严重 自费米实验室的中微子束流，只是与束流方向存在 0.8º 依赖于反应堆实验（主要是大亚湾）对 θ13 的测量， 的夹角，基线为 810 km（如图 4 所示）。NOνA 建造 并不是一个独立的测量结果。因此，设计和建造更好 了 1 万 4 千吨分小单元的液体闪烁体探测器，对电子 的实验迫在眉睫。 中微子的探测效果比较好。2015 年，利用两种不同的 利用加速器中微子探测质量顺序和 CP 破坏，通 分析方法（事例挑选效率不同），NOνA 分别观测到 常通过比较正反缪中微子各自振荡到正反电子中微子 6 个和 11 个电子中微子，跟反应堆实验的结果联合之 的差别来实现。其中，中微子在穿行地球的过程中， 后，同样指出 CP 相角可能在 270º 附近。 与物质中的电子发生特殊的物质效应，改变振荡几率。 加 速 器 产 生 的 缪 中 微 子 消 失 之 后， 大 部 分 都 如果质量顺序为正，对于电子中微子来说，振荡效应 变成了陶中微子。由于陶子的质量很大，达到 1.8 被加强；而电子反中微子的振荡效应被减弱。而质量 GeV，因此只有能量很高的陶中微子才能发生带电 顺序为负的情况下两者正好颠倒。基线越长，中微子 流反应从而被识别和探测到。另一方面，陶子的寿 在地球中发生的物质效应也越强。CP 相角也会改变 命很短，在产生之后的万亿分之一秒时间内几乎都 会衰变，因此陶中微子的探测十分困难，需要探测 器的特殊设计，同时测量数百微米的陶子径迹，及 225 μm 顶点 0 其次级粒子在陶子衰变顶点附近的拐弯。欧洲核子 376 μm 中心建立了一条指向意大利格兰萨索地下实验室的 顶点 1 缪子 伽马 光子 中微子束流线，而位于格兰萨索的 OPERA 实验正 是被设计用来探测缪中微子到陶中微子的振荡（测 量中微子的飞行速度只是它的副产品）。OPERA 使 1 mm 用了 1800 吨夹在铅块之间的感光乳剂，从 2006 年 开始运行，至今总共找到 5 个陶中微子，是缪中微 1 mm 缪子 子振荡到陶中微子的直接证据（如图 5 所示）。同 样位于格兰萨索的 ICARUS 实验，则致力于发展探 测器技术，建造了 600 吨液氩探测器，具有优秀的 现代物理知识 图 5 OPERA 找 到 的 其 中 一 个 陶 中 微 子 事 例（ 图 片 来 源： PhysRevD.89.051102） 30 中微子研究与进展 振荡几率，正的 CP 相角会减弱缪中微子到电子中微 年戴维斯（R. Davis）观测太阳中微子的霍姆斯特克 子的振荡，而加强缪子反中微子到电子反中微子的 矿井中，建立重达 4 万吨的液氩探测器，探测来自费 振荡。图 6 显示了正反中微子振荡几率的相对差别 米实验室的中微子束流，基线为 1300km（如图 8 所示）。 （Asymmetry）与质量顺序及 CP 相角（δCP）的关系， DUNE 预计在 2030 年以前开始运行。由于基线更长， 并比较了基线为 295km 和 1300km 两种情况。可以 运行十年之后，就能使测量中微子质量顺序的灵敏度 看出，基线较长的实验更容易同时确定质量顺序和 达到 5 倍标准偏差，而测量 CP 相角的灵敏度则略逊 CP 相角，而基线较短的实验比较适合单独测量 CP 于 T2HK。 相角。 1 为了提高实验的灵敏度，最有效的途径就是增加 中微子的数量。目前国际上最先进中微子束流生产基 中心，它们的加速器功率都小于 1 兆瓦。而它们的共 同目标都是突破 1 兆瓦大关，建成传说中的“中微子 超级束流”，实现中微子数目量级上的提升。而探测 0.6 0.4 正反不对称性 地，如日本的 J-PARC，美国费米实验室和欧洲核子 正质量顺序 , 1300 km 反质量顺序 , 1300 km 正质量顺序 , 295 km 反质量顺序 , 295 km 0.8 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 器方面当然也不甘示弱，朝着更大更强的方向发展。 -0.8 水切伦科夫类型的探测器定位为 50 万至 100 万吨量 -1 级，比世界上现有的同类探测器大了整整一个量级， -3 -2 -1 0 1 2 3 CP 相角 ( 弧度 ) 代表实验为日本的超超级神冈（如图 7 所示）。而以 图6 液氩为代表的新型探测器，凭借其出色的粒子识别能 正反中微子振荡几率的差别 力，希望达到“小”而精的 水纯化系统 效果，代表实验为美国和欧 洲联合推动的 DUNE。 超超级神冈（HyperK） 电机间 隧道 顾名思义就是超级神冈的 升级版本，总共包含 99 万 吨水，其中有效体积为 56 高 54m 万 吨， 是 真 正 的 巨 无 霸。 而 T2K 也 将 随 之 升 级 为 宽 T2HK。考虑到加速器功率 48m 长度 隔间 .5m 49 (5 .5m 地下大 厅内壁 间) 个隔 47 长2 总 的提高，T2HK 运行一年获 取的数据量相当于 T2K 的 图 7 超超级神冈探测器（图片来源：http://arxiv.org/abs/1109.3262） 50~100 倍。如果得到批准， T2HK 计 划 于 2018 年 开 始 桑福德地下 实验室 费米国家实验室 1300 km 建 设，2025 年 开 始 运 行， 运 行 十 年 之 后， 将 有 60% 的可能性确定 CP 相角（置 信度达到 5 倍标准偏差）。 DUNE 实 验 计 划 在 当 图 8 DUNE 实验（图片来源：http://www.dunescience.org/） 31 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 Pion 靶 质子驱动器（15MW，1.5GEV） 废束站 连续波超导直线加速器（~300m） Pion 收集段 Pion 衰变段（~50m） μ + 和 μ - 筛选段（~2m） 探测器 弯转段（~20m） - - v μ /v e or v μ /v e 去探测器（~150km） 图9 μ 衰变道（~600m） （超导螺线管或者四级磁铁聚焦结构） MOMENT 实验方案 除了这两个实验外，国际上正在计划中的实验还 能量的中微子，主要物理目标是探测 CP 破坏。目前， 包括基于欧洲散裂中微子源（ESS）的 ESSνSB，和基 MOMENT 的束流设计和物理方案设计正在进行当中 于小型商用回旋质子加速器的 DAEδALUS。它们的 （如图 9 所示）。 结束语 主要目标都是探测 CP 破坏。此外，除了传统的介子 衰变产生缪中微子束流，通过加速贝塔放射性核素能 利用高能粒子加速器提供中微子束流是中微子实 够提供电子反中微子束流。而未来的“中微子工厂” 验研究的重要手段之一。加速器中微子为粒子物理标 则希望对介子衰变产生的缪子进行二次加速，从而同 准模型的建立和完善做出了重要贡献，更为研究中微 时得到缪子衰变产生的缪子型和电子型两种中微子束 子的性质和中微子振荡提供了强大的支持。从国际中 流。增加中微子束流的种类可以测量更加丰富的中微 微子研究进展和规划来看，加速器中微子的实验研究 子振荡模式，进一步研究中微子振荡的特性并提高振 还将在未来的数十年继续发展，力争解决中微子质量 荡参数的测量精度。而中微子工厂也被称为“终极” 顺序和轻子 CP 破坏等重要的物理问题。而中国也希 实验方案。然而，面临的技术挑战也是巨大的。比如， 望抓住历史机遇，发展自己的加速器中微子实验，在 要对寿命极短的缪子进行加速并在缪子衰变之前就使 中微子的领域全面走在世界最前沿。 它达到足够的能量非常困难。而探测器也必须具备鉴 别正反粒子以及鉴别电子、缪子甚至陶子的能力，因 此带磁场和具有单元结构的大型探测器是“中微子工 厂”的必备条件。 中国的反应堆中微子实验已经走在了世界的前 列，而加速器中微子实验也在酝酿当中。2013 年前 后，中国提出了基于加速器驱动次临界洁净核能系 统（ADS）的缪子衰变中等基线中微子束，英文为 Muon-decay medium-baseline neutrino beam facility，简 称 MOMENT。MOMENT 利 用 ADS 将 要 建 立 的 功 率 高 达 15 兆 瓦的质子加速器产生 300MeV 或更低 现代物理知识 32