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物理前沿 .科学家在想什么 . 中微子——通往新物理之门 曹 俊 （中国科学院高能物理研究所 100049） 希格斯粒子被发现之后，粒子 微子（即它的自旋总是与运动方向 样，中微子可以像其他费米子一样， 物理进入了一个新的阶段。希格斯 相反），不存在右手中微子。这只 是狄拉克粒子，有一个狄拉克质量 粒子是粒子物理标准模型的最后一 有中微子质量为零才能成立，因为 项，也可以是一种特殊的马约拉纳 个组成部分，它的发现意味着一个 质量不为零的话，那么中微子的速 粒子，即它的反粒子就是它自身， 时代的结束，也预示着一个新时代 度必然小于光速，可以选择一个比 只是螺旋度相反。另一个问题是中 的开启。标准模型是系统地描述整 它还快的参考系，让它的螺旋度发 微子质量太小，如果简单加一个狄 个粒子物理、经过大量实验检验的 生翻转。根据这一现象，李政道和 拉克质量项，那么它的质量与最重 理论体系。建立标准模型的相关工 杨振宁提出了中微子的二分量理 的顶夸克相差一万亿倍。同一个希 作已获得了 18 次诺贝尔奖。找到 论，该理论又催生了弱作用的 V-A 格斯粒子，既要产生顶夸克那么大 希格斯粒子之后，标准模型趋近完 理论，被标准模型所继承，与各种 的质量，又要产生中微子那么小的 善，具有优美的结构和惊人的预言 实验数据符合得非常好。因此，在 质量，如此悬殊的差距让人很难相 能力；另一方面，却存在暗物质、 标准模型中，中微子是没有质量的。 信。有一类很受物理学家喜欢的理 暗能量、宇宙正反物质不对称性、 然 而，1998 年 日 本 超 级 神 冈 论，叫“跷跷板机制”，它假定中 中微子质量等一些标准模型无法容 实验（Super-K）发现大气中微子 微子是马约拉纳粒子，同时存在尚 纳，或者难以解释的现象，说明必 存在振荡现象，即中微子在飞行中 未被发现的、质量远大于电弱能标 定存在着标准模型之外的新物理。 可以变成其他种类的中微子。与更 的重中微子，这样中微子的微小质 在标准模型中，中微子是没 早的太阳中微子失踪之谜，稍晚的 量可以得到很自然的解释。不过重 有质量的。中微子振荡的发现说明 SNO（太阳中微子）、KamLAND（反 中微子是无法填进标准模型的三代 中微子有质量。这是目前发现的唯 应堆中微子）、K2K（加速器中微 结构中的。 一有坚实实验证据超出标准模型 子）等实验的结果一起，形成了中 我们把具有确定质量的中微 的现象。 微子振荡的坚实证据。中微子振荡 子（ 即 质 量 本 征 态） 叫 m1、m2、 说明中微子有质量，只不过它非常 m3， 它 们 与味道 本征 态 ——电 子 非常小，以至于现有技术还不能直 中微子、m 中微子、t 中微子并不 接测出来。 一一对应。例如，具有确定质量的 中微子 中微子共有三种，分别是电子 中微子、m 中微子、t 中微子。在 标准模型中它们的质量为零。1956 将中微子质量纳入标准模型 m1 可以看成是由三种味道的中微 年李政道和杨振宁预言弱作用宇称 中看上去不是大问题，像电子一样 子按某种比例组合而成，而具有确 不守恒，即空间的左右不对称，很 给它加一个质量项似乎就可以了。 定味道的电子中微子也是由三种不 快被吴健雄用实验证实。实验也发 不过马上就会碰到两个问题。一 同质量的中微子组合而成。正是这 现在弱作用中宇称不仅不守恒，而 个问题是怎么加。中微子自旋为 种混合导致了中微子振荡。 且是最大破坏的。造成这一现象的 1/2，是费米子。其他的费米子都 三代中微子的振荡可由 6 个 原因实质是只存在左手螺旋度的中 是带电荷的，而中微子不带电。这 参 数 描 述， 包 括 2 个 质 量 平 方 26 卷第 3 期 ( 总 153 期 ) 35 物理前沿 差，3 个 混 合 角， 和 1 个 CP 破 发现，“有保障的发现”基本上结 或者 b 谱端点得到质量关系后，也 坏 相 角。 太 阳 中 微 子 实 验 测 得 束了，新物理的突破需要更加艰难 不能确定中微子的绝对质量；假如 了 m22-m12=7.5×10-5 eV2 和 混 合 的探索。2012 年，除了希格斯粒子， 中微子质量顺序为正，我们有可能 角 sin22q 12=0.86， 大 气 中 微 子 实 大亚湾实验还发现了一个较大的中 永远无法通过无中微子双 b 衰变实 2 微子混合角 q 13。这绝对是一个好 验来确定中微子是狄拉克粒子还是 和 sin 2q 23 ≈ 1。 大 亚 湾 反 应 堆 中 消息，它告诉我们，中微子这个领 马约拉纳粒子。 微子实验测得了最后一个混合角 域还有几个“有保障的发现”在不 我们曾经认为 q 13 很小，质量 sin22q 13=0.09。未知的参数还剩下 远处等着我们。我们可以在研究中 顺序、CP 破坏相角等未知参数用 CP 破坏相角。此外，大气中微子 微子未知性质的同时寻找新物理的 现有技术可能难以测量。因此，十 实 验 不 能 确 定 m2 和 m3 到 底 谁 更 突破口。 几年前人们就开始研制中微子工 2 2 -3 验 测 得 了 |m3 -m2 |=2.4× 10 eV 2 重，称为质量顺序（或质量等级） 问题；也没有确定 q 23 针对 p/4 的 偏离取向，后者被称为 q 23 的八分 质量顺序的测量 在测得 q 13 后，测量质量顺序 成为中微子研究的下一个热点。 厂、b 束流等新技术。大亚湾实验 发现 q 13 远大于预期，因此用我们 现有的技术就可以进行质量顺序和 我们已知 m2>m1，因为能量较 CP 破坏的研究。国际上共提出了 通过中微子振荡只能测出中 高的太阳中微子振荡主要发生在太 8 个实验方案以测量质量顺序，包 微子的质量平方差。精确测量 b 衰 阳内部，电子中微子与太阳内的电 括中国的江门中微子实验（JUNO）、 变的电子能谱端点，或者测量无中 子发生带电流弱相互作用带来物 美 国 的 LBNE、 美 国 在 南 极 洲 微 子 双 b 衰 变（ 假 如 存 在 这 类 衰 质 效 应， 可 以 区 分 m2 与 m1 的 大 的 PINGU、 日 本 的 超 超 级 神 冈 变的话），可以得到中微子质量的 小。大气中微子振荡则只能测得质 （Hyper-K）、 欧洲 的 LBNO、 韩 另一个关系，从而限定三种中微子 量平方差的绝对值，因此我们不清 国 的 RENO-50、 印 度 的 INO， 以 的质量。然而这两类实验难度非常 楚三种中微子的质量顺序是正的 及 即 将 建 成 的 美 国 NOvA。 其 中 圆问题。 大，近期能够成功的可能性很小。 （m3>m2>m1）还是反的（m2>m1>m3）。 JUNO、LBNE、PINGU、Hyper-K 的竞争力较强。 普朗克卫星最新的宇宙学观测给出 如果不知道质量顺序，长基线加速 了三种中微子质量之和的最佳测量 器中微子的振荡几率不能确定，因 利用反应堆中微子振荡中的 结果，为 0.320±0.081 eV。 此也影响 CP 破坏的测量；从宇宙 干涉效应可以测量质量顺序，其最 学，或者无中微子双 b 衰变实验， 佳基线（即反应堆到探测器的距离） 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 b 衰变、 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。 由于标准模型强大的预言能 力，在过去几十年，不少新粒子或 新现象都是先有理论预言，再被实 验发现，因此被称为“有保障的发 现”，包括一些获诺贝尔奖的发现 如 W± 和 Z0。 随 着 希 格 斯 粒 子 的 图1 现代物理知识 36 江门中微子实验 2 万吨探测器示意图 物理前沿 约为 60 千米，需要很大的探测器 倍标准偏差。对另一半参数空间则 影响也不同。超级神冈实验虽然有 和极佳的能量分辨率，从精确的能 为 2 ～ 5 倍标准偏差。实验的难点 5 万吨水，但仍不足以区分正反质 谱测量中确定这种干涉效应。2008 是建造 1 万吨的液氩探测器（以前 量顺序。印度在建的 INO 实验是 年高能物理所就提出了进行该实验 最大为 600 吨）。同样利用费米实 唯一能区分正、反 m 子的大气中微 的设想，称为大亚湾二期实验。发 验室的加速器产生中微子的还有即 子实验，但其质量也为 5 万吨，灵 现 q 13 很大后，实验难度大大降低， 将建成的 NOvA 实验，它在 730 千 敏度不高。大气中微子有较宽的能 这项工作得以迅速提上日程。该实 米外的明尼苏达州建立 5 万吨的塑 谱，其中对质量顺序测量贡献最大 验要求探测器到各个反应堆的距离 料闪烁体探测器，有 1/4 的几率（参 的是 7 GeV 左右的中微子。南极洲 相等，否则干涉效应将相互抵消。 数空间）将质量顺序测量到 3 倍标 的冰立方实验（图 2）可以探测到 由于大亚湾附近规划的反应堆布局 准偏差。 大气中微子，体积为 1 立方千米， 不利于测量，2012 年确定在广东 大气中微子也可以用来确定 即 10 亿吨，但能量阈值太高，不 省江门的开平市建立实验站，位于 质量顺序。高能原初宇宙线在大气 能探测 7 GeV 的 m 中微子。因此， 距阳江核电站和台山核电站 53 千 中产生大量的中微子，它们在地球 科学家计划在冰立方的中心重新建 米处。实验将建设一个有效质量为 表面基本上均匀分布。超级神冈实 一个光电倍增管更密集，能探测 2 万吨的液体闪烁体探测器（图 1）， 验正是发现了贯穿地球的大气中微 到更多光子，因而能量阈值更低 位于地下 700 米，能量精度为 3%。 子随不同飞行距离的存活几率而发 的实验，叫 PINGU，其有效质量 最主要的难点是比以前最好的液体 现了中微子振荡。穿过地球时的物 100 ～ 1000 万吨。3 年的数据量可 闪烁体探测器的能量精度还要高 1 质效应对正、反 m 中微子的影响 以测量质量顺序到 3 倍标准偏差以 倍。江门中微子实验预期 2020 年 不同，在正、反质量顺序情况下的 上。实验的主要难点在于能否精确 建成运行，6 年后可将质量顺序确 定到 3 ～ 4 倍标准偏差。同时可以 精确测量 sin22q 12 和 2 个质量平方 差参数到好于 1% 的精度，研究超 新星中微子、太阳中微子、地球中 微子、大气中微子，以及惰性中微 子等。 LBNE 将 在 南 达 科 它 州 的 Homestake 建立 1 万吨的液氩探测 器，探测 1300 千米外费米实验室 产生的加速器中微子束流，通过中 微子穿过地球时的物质效应来确定 质量顺序。实验原计划采用 3.4 万 吨的探测器，目前只批准了 1 万吨， 预期 2022 年建成。长基线加速器 中微子实验对质量顺序的灵敏度严 重 依 赖 于 CP 破 坏 的 大 小。 对 CP 破坏较大的一半参数空间，LBNE 在 10 年内可将质量顺序确定到 5 图 2 南极洲冰立方实验，PINGU 位于图中 DeepCore 处 （来自 arXiv:1401.2046） 26 卷第 3 期 ( 总 153 期 ) 37 物理前沿 地将光电倍增管部署到冰下的预期 位置，以及能否精确理解光子在冰 层中的传播过程。PINGU 实验尚 未批准。如果这些问题能解决，可 能是测量质量顺序最快的实验。 继超级神冈之后，日本计划在 原址旁新建超超级神冈 （Hyper-K） ， 质 量 从 5 万 吨 提 升 到 100 万 吨。 Hyper-K 将探测来自 295 千米外日 本散射中微子源（J-Parc）的中微 子 束 流。 由 于 295 千 米 的 距 离 较 短，地球物质效应不够显著，运行 6 ～ 10 年后也只对不到 1/4 的参数 空间能将质量顺序测量到 3 倍标准 图3 假如中微子真实质量顺序为反序，各实验对质量顺序的灵敏度。其中 NOvA、 偏差以上。Hyper-K 也能探测大气 LBNE 的上下限相应于不同 CP 破坏相角，INO 和 PINGU 对应不同 q 23，JUNO 对应不同能 中微子和超新星中微子。利用大气 量精度。PINGU 对正质量顺序的灵敏度更好（来自 M. Blennow, JHEP 1403 (2014) 028） 中微子对质量顺序的灵敏度更好， 一个。它与宇宙中正反物质的不对 实验都可以测量 q 23 并确定它对 p/4 6 ～ 10 年的数据，对大部分参数空 称可能相关。测量 CP 破坏最直接 的偏离。加速器中微子 LBNE 可以 间都能测量到 3 倍标准偏差以上。 的方法是比较正、反中微子振荡的 通过 m 中微子消失几率的测量，对 在 这 些 实 验 中，JUNO、 差别。只有加速器中微子实验比较 大部分参数空间将 q 23 的精度测量 LBNE、NOvA、INO 已 获 批 准， 容易做到这一点。通过改变质子打 到好于 1°，对 q 23 小于 40°或大 PINGU、Hyper-K 有较大的可能被 靶后的聚焦磁场方向，可以选择 于 50°的情况可以解决八分圆问 批准（图 3）。这些实验涵盖了反 性地聚焦正粒子还是反粒子，从 题到 3 倍标准偏差以上。Hyper-K 应堆中微子、加速器中微子和大气 而产生正中微子或反中微子束流。 通过大气中微子也可以测量到类似 中微子三种源，采用了不同的探测 由于质子带正电，产生的反中微 的精度。 器技术。加速器实验用 m 中微子束 子束流一般只有正中微子的 1/3 流 预期到 2032 年左右，我们将 流，探测电子中微子的出现几率， 强。从探测器测得它们振荡几率的 能够有 3/4 的几率测量到中微子的 灵敏度依赖于 CP 破坏相角。大气 差别，就可以测得 CP 破坏相角。 CP 破坏。对其他 5 个中微子振荡 中微子探测 m 中微子的消失几率， LBNE 和 Hyper-K 实 验 可 以 测 量 参数的测量精度将好于 1%。精确 灵敏度依赖于 q 23 对 p/4 的偏离值。 CP 破坏。如果 CP 破坏相角为 0° 测量振荡参数将使我们能够检验混 反应堆中微子实验则与 CP 破坏相 或 180°，则 CP 破坏效应为零， 合矩阵的幺正性。假如存在超出标 角和 q 23 的八分圆问题无关，但对 90°和 270°处最大。到 2032 年， 准模型的重中微子，例如像解释中 能量精度要求很高。预期到 2025 通过 10 年的测量，例如 3 年正中 微子微小质量的“跷跷板机制”所 年左右，我们能够通过不同的手段 微子，7 年反中微子，LBNE 对 1/4 预言的那样，我们现有的技术手段 基本上确定中微子的质量顺序。 的参数空间可测量 CP 破坏到 3 倍 也许无法直接寻找，但它们会对现 其他中微子振荡测量 标 准 偏 差 以 上， 而 Hyper-K 则 有 有的中微子振荡产生间接影响。我 3/4 的参数空间。 们所测得的 3×3 混合矩阵将是一 中微子的 CP 破坏大概是剩下 的“有保障的发现”中最重要的 大气中微子和加速器中微子 现代物理知识 38 个更大的幺正矩阵的子矩阵，前者 物理前沿 本身不再满足幺正性。通过精确测 量混合参数，我们可以窥探更高能 本底。 LSND 实 验 的 MiniBooNE 实 验 也 假如中微子具有反质量顺序， 未能得到明确的结果。惰性中微子 下一代的无中微子双 b 实验将能在 激起了相当一部分人的兴趣。新设 未来 10 年确定中微子是狄拉克粒 计的实验包括在距反应堆几米的地 无中微子双 b 实验是一类极 子还是马约拉纳粒子。假如质量顺 方测量中微子振荡、近距离的加速 为重要的中微子实验。如果发现了 序是正序则很糟糕，如果未能找到 器中微子实验、利用放射源近距离 这种现象，则说明中微子与其他费 无中微子双 b 衰变现象，即使是下 测量中微子等。也许未来一二十年 米子都不同，是马约拉纳粒子。现 一代实验，也不能排除它为马约拉 内能够证实或否定它的存在。 在有十多个实验，利用不同的探测 纳粒子。 量下的新物理。 非振荡中微子研究 中微子也是一种新的天体物 技术和不同的同位素进行研究，例 为 了 解 释 LSND 实 验 发 现 的 理的研究手段。中微子不带电，穿 如 Gerda，CUORE，NEMO 等。 极短距离的中微子振荡现象，有人 透能力强，因此能提供其他粒子无 EXO 是其中竞争力最强的实验之 认为存在着质量在 1 eV 附近的中 法提供的信息。南极洲的“冰立方” 136 0 一。它利用液氙（ Xe）同时作为 微子。由于加速器上 Z 粒子衰变 实验 2013 年发现了来自宇宙的极 双 b 衰变核素和探测介质，在极低 实验已经证明只有三种参与弱作用 高能中微子，它们有可能提供极高 本底、实验规模化上有较大优势。 的中微子，只能假定存在一种标准 能宇宙线起源的信息。探测超新星 目前 EXO 实验采用 200 千克液氙， 模型之外的、不直接参与弱作用的 中微子、太阳中微子将带来星体内 计划升级为 nEXO，靶质量为 5 吨， 粒 子， 称 为“ 惰 性 中 微 子”。 还 部的的信息，帮助我们理解星体的 并继续提高探测器性能。特别是有 有一些其他迹象支持惰性中微子 形成与演化。地球中微子也能帮助 可能实现独有的 Ba 离子标记技术， 的 存 在， 如 反 应 堆 中 微 子 反 常、 我们刺探无法到达的地球内部，帮 原则上可排除所有其他核素产生 助理解地球的形成与演化。 GELLEX 反常等。专门设计来验证 图中钻石 出自巴西捷那 地 区， 是 由 岩 钻石瑕疵证明地球深处存在水 浆推到地表 钻石瑕疵会降低珠宝成品的 的， 化 学 结 构 价值，但对地质学家来说却是宝贵 表明其形成于 的研究机会。肉眼很难发现的钻石 400千米深处。 微小瑕疵，帮助解决了地幔中存在 研究者在显微 水的长期争论。地表下 400 千米的 镜下发现钻石 地幔主要是称为橄榄石的矿物，并 内部有一颗 40 微米的晶体，称为 方可能不是典型的下地幔，如果是 不吸收水。然而在此之下，高温和 包裹体，光谱分析是尖晶橄榄石。 下地幔的话，该处会存在大量水。 高压导致橄榄石变为不同的化学结 发表在《自然》（Nature）网站上 这非常重要，因为地幔在温度变化 构，其中之一称为尖晶橄榄石，实 的进一步分析，揭示了这块尖晶橄 时会排出高压蒸汽，导致火山喷发。 验室测试表明其中含有多达 2.5% 榄石包含氢氧键，说明晶格中至少 （高凌云编译自 2014 年 3 月 的水。 含有 1.4% 的水。生成该钻石的地 12 日 www.sciencemag.org） 26 卷第 3 期 ( 总 153 期 ) 39