大气中微子及中微子振荡的发现.pdf

中微子研究与进展 大气中微子及中微子振荡的发现 王 为 （中山大学物理科学与工程技术学院 510275） 未 来 的 粒 子 物 理 学 史 上 会 提 到：1998 年 和 说起：超级神冈中微子实验大气物理组的梶田教授代 2015 年 在 中 微 子 物 理 的 发 展 和 粒 子 物 理 标 准 模 型 表超级神冈合作组在 1998 年在日本的高山（Takayama） （Standard Model）的完善上是非常值得纪念的两个 举行的世界中微子大会（Neutrino’98）上宣布了图 1 年份——1998 年，超级神冈中微子探测实验（Super- 所示的结果。在这篇短文中，让我们一起从头来理解 Kamioka Neutrino Detection Experiment， 简 称 Super- 和了解图 1 所表达信息的来龙去脉以及其深远的物理 Kamiokande，也简称 Super-K）的物理学家们在大气 意义。 中微子数据中发现了大气中微子振荡毋庸置疑的直接 超级神冈中微子探测实验 Super-Kamiokande 的前 证据；2015 年，Super-K 这个意义深远的发现让日本 身是 KamiokaNDE，也就是神冈核子衰变实验（Kamioka 东京大学的梶田隆章（T. Kajita）教授同 SNO 实验的 Nucleon Decay Experiment）。KamiokaNDE 探 测 器 前发言人加拿大皇后大学的麦克唐纳（A. McDonald） 的示意图见图 2，它是个以纯水为介质的切伦科夫 教授一起获得了 2015 年的诺贝尔物理学奖。此外，本 探测器，内壁布满了检测光子的光电倍增管，有效 年度诺贝尔物理学奖授予中微子振荡的发现的喜讯之 探测质量接近 1000 吨；Super-K 探测器的示意图见 后不久，由于中微子物理领域在自 1998 年以来的十 图 3，它的设计同样是以纯水为介质的切伦科夫探 几年中的巨大突破，6 个做出突出贡献的中微子实验 测器，内壁同样也布满了直径为 20 英吋的光电倍增 合作组及其发言人又同时获得了 2015 年度的科学大 管，但是它的有效探测质量为 2.5 万吨，远远超出了 奖“基础物理突破奖” （Breakthrough Prize in Fundamental Physics）。这 6 个国际实验合作组及其突出贡献人 包括：Super-K 合作组及为其做出突 出贡献的梶田隆章教授和铃木洋一 郎（Y. Suzuki） 教 授，SNO 实 验 合 作组及为其做出突出贡献的麦克唐 纳 教 授，KamLAND 实 验 合 作 组 及 为其做出突出贡献的铃木厚人（A. Suzuki）教授，大亚湾反应堆中微 子实验合作组及为其做出突出贡献 的王贻芳教授和陆锦标教授、K2K 和 T2K 合作组及为其做出突出贡献 的西川公一郎（K. Nishikawa）教授。 应该说，让这些中微子科学家们此 cos(zenith angle) 图1 cos(zenith angle) Super-K 在 1998 年 世 界 中 微 子 大 会 上 展 示 的 数 据 ——电 子 型 中 微 子 事 例 观 测 与 预 测 符 合 良 好， 但 是 向 上 的 缪 子 型 中 微 子 事 例 则 少 了 大 约 50%。Super-K 的 次获得这些荣誉和奖励的物理突破 观 测 以 毋 庸 置 疑 的 数 据 说 明 了 中 微 子 在 振 荡， 而 且 混 合 角 接 近 最 大 混 合。 中 微 子 上 要从 1998 年大气中微子振荡的发现 下事例的对称性质见图 7 15 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 KamiokaNDE，所以能够在短时间内积累足够的中微 子信号，这对于研究反应概率极小的中微子至关重 要。追述这段历史，我们意识到 Super-K 中微子探测 实验的前身原本是个探测核子（这里指质子）衰变的 KamiokaNDE 实验，而不是我们今天要讲的中微子。 那么 Super-K 实验是怎样从它前身的质子衰变实验转 向以中微子为主要研究目标的呢？我们知道，质子衰 变是很多大统一理论导出的一个必然现象，同时也是 宇宙中物质与反物质不对称所必需的重子数不守恒这 个条件的一个必然要求，KamiokaNDE 就是为了这个 意义深远的目的于 1983 年在东京大学小柴昌俊（M. Koshiba）教授的领导下在日本岐阜县神冈镇的一个废 弃矿井中建成的。超级神冈实验和它的前身神冈实验 都是建在神冈观测站深地实验室中的水切伦科夫探测 图2 神冈实验 KamiokaNDE 的探测器模型，橙色为光电 倍增管。探测器分为光学独立的内外两层以便能够区分带电的 器，利用带电粒子在介质中超过光速时会发出切伦科 粒子是来自探测器之外还是产生在探测器内部 夫辐射光的特性来探测在它内部发生的粒子反应。图 4 给出了切伦科夫光环产生的示 意图。将探测器建在地下是为了 降低地表大量宇宙射线造成的本 底信号，提高实验的灵敏度。在 科学史上，自然很爱同科学家们 开玩笑——他们获得的发现往往 不同于初衷，KamiokaNDE 的成 功只是再一次向探索自然真理的 科学家们证明了这个科学史上比 比 皆 是 的 意 想 不 到。1987 年， 原本是为了探测质子衰变的神 冈实验为人类首次探测到了来 自太阳系之外的中微子——超新 星 1987A 的 中 微 子， 这 个 大 发 现直接导致了小柴昌俊教授获得 了 2002 年的诺贝尔物理学奖。 但是这仍然不是神冈实验完全不 同于其初衷的成功故事的全部。 由于能量适合的大气中微子在神 冈探测器中造成的中微子事例是 图3 超 级 神 冈 实 验（Super-Kamiokande） 示 意 图。 探 测 器 同 神 冈 一 样 分 为 光 学 独 立 的 内 外 两 部 分， 内 部 的 光 电 倍 增 管 数 目 超 过 了 1 万 1 千 个， 光 阴 极 的 覆 盖 率 达 到 了 它所探索的质子衰变信号的重要 ~40%，具有良好的缪子电子事例的分辨能力和事例方向重建能力——这是 1998 年发现大 本底，物理学家们需要深入详 气中微子振荡的关键因素 现代物理知识 16 中微子研究与进展 细了解大气中微子信号的特征。在研究的过程中，科 个“大气中微子异常”引起了领域内极大的兴趣和争 学家们发现，理论计算的缪中微子与电子中微子比例 论，但是由于实验数据的限制和不同实验结果间存在 与一些实验观测严重不符。图 5 给出了大气中微子产 不一致，没有结论。回顾历史，我们现在知道就是这 生的示意图和不同实验的缪中微子与电子中微子相对 个大气中微子的异常在一群执着的科学家的追索下演 比例的观测值与预测值的对比（我们后面会详细介绍 变成了 1998 年的中微子振荡的巨大发现，给中微子 这个比值的物理意义）。在 Super-K 实验之前的一些 物理进而是粒子物理标准模型的研究带来了革命性的 实验，包括 KamiokaNDE 实验，由于探测器本身的局 变化；也就是这个“异常”使得 KamiokNDE 的升级 限，对大气中微子实验数据没有一致的结论，只能说 版实验 Super-Kamiokande 中同样的三个尾字母“nde” 是观测到了一个可能存在的“大气中微子异常”。这 不 再 代 表“Nucleon Decay Experiment”， 而 变 成 了 “Neutrino Detection Experiment”。这个选择也许是 Super-K 的科学家们在冥冥中已经预感到了即将到来 的中微子革命。 为了讲述并理解余下的故事，现在有必要让我们 来一起看看大气中微子的特征并进一步理解升级后的 世界最大水切伦科夫探测器超级神冈如何分辨不同的 中微子事例。 大气中微子由主要成分为质子的宇宙射线打在大 图4 带电粒子在透明介质中超过介质中的光速时产生的切伦 科夫辐射光的示意图。红色的径迹为带电粒子的轨迹，蓝色的线条 气中的原子核上产生的末态强子衰变得来，可以用以 下的三个主要反应来表示它的产生过程： 给出了切伦科夫辐射的方向和起始位置，紫色的光环即为切伦科夫 光在粒子运行前方的平面上投射而成的。在神冈和超级神冈探测器 中光环的形状由于桶壁的形状会有不同的表现 ， 其中 N 和 N' 表示大气中受质子轰击前后的原子核。 我们忽略了三个公式中的初末态粒子的电荷和生成的 中微子的正反性质。此外，我们也忽略了除了 π 强子 之外其他强子的贡献，这些细节并不影响我们后续的 讨论。整个过程可以由图 6 的左图示意。从上述的级 联反应公式可以看出，如果级联反应被严格遵守，大 气中微子中缪中微子同电子中微子的比例基本为 2。 同时，由于相对论的时钟延长效应，如果缪子的速度 接近光速，那么它有可能在抵达中微子探测器之前来 不及衰变，那么最后一个级联反应就不会发生，从而 在高能量区造成缪子型中微子多于电子型中微子的现 大 气中微 子实 验 数 据缪 中 微子 与 电子 中微 子理论 与 象。大气中微子中缪中微子和电子中微子的相对份额 实验的双比值对比。如果中微子没有发生变化，理论与实验的 能够相对精确地通过计算和模拟获得，图 6 的右图是 图5 这 个 缪 中 微 子 电 子 中 微 子 比 例 应 该 相 符。 但 是 KamiokaNDE 和部分 IMB-3 的数据表明这个比例实验只是理论的一半上下。 这说明一部分中微子发生了原有理论中预想不到的变化：要么 Honda、Bartol 和 Fluka 等几个不同的工作组所做的计 算。需要指出的是由于地球磁场的影响，虽然宇宙射 线在进入地球的磁场之前是各向同性的，但是低能的 缪中微子数减少了；要么电子中微子数增加了 17 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 射线由于受磁场影响较大，大气中微子束流并不完全 Super-K 探测器不仅仅是具有了比 KamiokaNDE 是各向同性的，尤其是低能的中微子。但是高能区受 探 测 器 更 大 的 探 测 质 量， 同 时， 它 的 各 项 指 标 也 地磁场影响小，基本还是保持原本的各向同性，造成 使 得 它 能 够 分 辨 电 子 型 和 缪 子 型 的 中 微 子 事 例。 了高能中微子束流上下对称的现象，见图 7。需要着 作为基本粒子家族成员的中微子在发生反应产生 重指出的是，由于中微子反应发生的概率极小，整个 相 应 的 带 电 轻 子 的 时 候 会 保 持 原 来 的 轻 子 味： 电 地球对于大气中微子来说几乎是透明的，它们在产生 子中微子产生电子而缪中微子产生缪子。我们知道 后几乎都毫无阻碍地入射到了 Super-K 探测器，带着 缪子比电子要重 200 多倍，在介质中几乎沿直线传 它们在产生时的原本特征。 播；而电子较轻，在介质中径迹变向较大。因此， 它们产生的切伦科夫光环非常不同：缪子由于径迹 Flux ratio 10 9 8 7 6 较直，它的切伦科夫光环有清晰的边界而电子的则 Honda flux Bartol flux Fluka flux 5 相对模糊。图 8 显示了两种光环的不同特征，图 9、 图 10 则是两个真实的 Super-K 大气中微子候选事 4 例。正是升级后的探测器所具有的探测质量和粒子 3 识 别 这 样 的 有 力 武 器 使 得 Super-K 在 建 成 后 的 两 年 多 的 时 间 里 就 积 累 了 足 够 的 大 气 中 微 子 数 据， 2 vμ+vμ/ve+ve - 10-1 1 - 以图 1 中毋庸置疑的证据证明了大气中微子振荡 102 10 质量。 Ev (GeV) 图6 的 存 在， 进 而 说 明 了 中 微 子 具 有 微 小 但 是 非 零 的 大 气 中 微 子 产 生 的 示 意 图（ 波 士 顿 大 学 Edward T. Kearns 教授提供）和缪中微子同电子中微子的比例。从产生原 理看，缪中微子与电子中微子比例接近 2，是个能够准确预测 的物理量。在低能区这个比例基本为 2，随着能量的提高由于 Integrated neutrino flux (m-2sec-1sr-1) 相对论效应造成更少的缪子有机会衰变而逐渐变大 700 200 600 175 30 25 150 500 125 20 vμ+vμ 图8 - 400 vμ+vμ vμ+vμ - 15 100 - 电子型和缪子型中微子事例切伦科夫辐射的不同特 征。缪子的轨迹直而电子的轨迹多变 300 75 200 50 ve+ve - 100 0.3-0.5 GeV 5 0 0.9-1.5 GeV 1 0 -1 Super-K 的发现要求中微子具有质量，这同原来 ve+ve 25 0 -1 图7 10 - 0 cosΘ 一直非常完美的粒子物理标准模型的对中微子质量 ve+ve - 为零的预测不同，使得人类第一次跳出标准模型之 3.0-5.0 GeV 1 0 -1 0 1 中 微 子 束 流 基 本 上 下 对 称（ 这 里 的 极 角 为 中 微 子 传 播方向与指北的地轴的交角）。在低能区由于地磁场的影响， 上下对称受到一定程度的破坏。因此，如果中微子没有发生任 外，发现了新的物理。中微子振荡的发现开创了粒 子物理研究的一个新时代。我们现在意识到中微子 的三个味道本征态由三个质量本征态混合而成，反 之亦然。取决于中微子是否是它自身的反粒子，即 何变化，探测器内探测到的自上而下与自下而上的中微子数目 中微子是否为 Majorana 粒子，混合矩阵可由三个混 应该几乎相等 合角和一或三（若为 Majorana 粒子）个 CP 相位描述， 现代物理知识 18 中微子研究与进展 三味中微子振荡公式相对复杂，但是由于三个中微子 质量本征态形成的两个质量平方差相差较大，中微子 振荡概率在多数情形下可由两味道的振荡公式很好地 描述： Pν →ν =sin2 2θ sin2 α 。 β Δm2 L ， 4E 其中 θ 为混合角，Δm2 为两个质量本征态的质量平方 差，E 为中微子的能量，L 为中微子 传播的距离。 Super-K 划 时 代 的 发 现 很 快 就 被利用人工产生的缪子型中微子束 的 长 基 线 中 微 子 实 验 K2K（KEK to Kamioka，KEK 为 日 本 高 能 物 理 研 究 所 的 缩 写，K2K 实 验 的 中 微 子 束 流由 KEK 的加速器产生）所验证。 同 时， 其 他 早 期 和 同 时 代 的 不 够 精 准的其他实验的大气中微子数据也 获 得 了 一 致 的 结 果。K2K 实 验 之 后， 后 续 的 升 级 实 验 T2K（Tokai to Kamioka，Tokai 即 东 海， 是 KEK 在 东京北部的东海村设立一个新的加速 图9 Super-K 探测器中的一个电子中微子候选事例。由于电子轨迹多变， 因此在介质中形成模糊的切伦科夫光环 器设施 J-PARC 所在地）和建在美国 的长基线实验 MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）又进一步 验证了 Super-K 实验的结果。MINOS 探测器也具有探测大气中微子的能 力， 并 且 通 过 同 束 流 中 微 子 数 据 的 联合分析提高了 MINOS 实验结果的 精 度。Super-K 之 后， 建在 南极的 以 观测宇宙中超高能量中微子事例为 目标的天体物理实验 IceCube 也通过 增加其光学探测模块的密度建成了 DeepCore 实 验。DeepCore 的 结 果 也 验证的 Super-K 实验大气中微子结果。 另外需要指出的是在 Super-K 在大气 中微子数据中发现中微子振荡的信号 之 后，SNO、KamLAND、MINOS、 图 10 Super-K 探 测 器 中 的 一 个 缪 中 微 子 候 选 事 例。 由 于 缪 子 远 重 于 电 子，在介质中径迹比较直，因此它能够形成清晰的切伦科夫光环边界 19 T2K 以 及 大 亚 湾、RENO 和 Double Chooz 等利用太阳中微子、加速器中 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 及 CPT 对称性 破坏等新物理方 面，大气中微子都曾经甚至仍然 保持着最好的实验结果。通过大 气中微子的能量及其穿越地球内 特定密度区的组合，中微子物理 学家们在近年提出了利用大气中 微子的物质效应解决中微子质 量 排 序 问 题 的 构 想， 以 位 于 印 度 的 INO（India-based Neutrino Observatory） 和 南 极 的 PINGU （Precision IceCube Next Generation Upgrade） 这 两 个 实 验 为 代 表。 INO 实验是一个以铁板作为靶、 以 RPC（Resistive Plate Chamber） 为探测中微子反应末态粒子的传 感器并加有磁场的一个地下大气 INFORGAPHIC: PRATHAP RAVISHANKAR 中微子探测装置（图 11）。一个 有趣的历史故事是大气中微子的 图 11 印度的 INO（India-based Neutrino Observatory）地下中微子实验观测站示 意图。实验的核心是带有磁场的 Iron Calorimeter（铁量能器）这个能够在一定程度上分 辨正反中微子的探测器 首次探测是在印度的考拉金矿场 的地下实验室里于 1965 年完成 的。 可 惜 的 是 考 拉 矿 场 于 1990 微子以及反应堆中微子的实验一起已经比较全面地 年左右关闭了，实验也因此终止。INO 实验的探测器 测出了除中微子混合矩阵中狄拉克 CP 相位之外的 由于加有磁场，它将能够区分正负粒子，因此能够很 三个混合角。到目前为止，我们对于 θ23，θ12，θ13， 大程度上区分正反大气中微子，这将能够给研究带来 Δm 21 和 |Δm 32| 的值都有了相当程度的认识，但是我 一个额外的观测量，提高实验的灵敏度。PINGU，如 们对于中微子是否为 Majorana 粒子，θ23 是否精确等 它的名字的来历解释的那样，是当前建在南极的天体 2 2 2 于 45 度，Δm 32 的符号，也就是所谓的中微子质量 物理实验 IceCube 实验的一个更为密集光学模块的升 排序问题，以及中微子混合矩阵中的狄拉克 CP 相位 级实验（图 12）。IceCube 以及建在其内的 DeepCore 仍然没有答案。 和 PINGU 都是利用南极的冰层作为探测媒质，利用 大气中微子不仅给我们提供了发现中微子振荡 中微子反应末态带电粒子在冰内的切伦科夫光来探测 的历史机遇，它也是人类已知的中微子源中能量分 中微子。INO 和 PINGU 之外，创造了历史并开创了 布最宽（由几十 MeV 到十几 TeV）、基线跨越最大 一个新时代的 Super-K 实验也有一个升级计划：建造 （由几十千米到穿越地球的上万千米）、经历的介质 一个更大的水切伦科夫探测器 Hyper-Kamiokande（简 多变（由空气到地核的高于 10 g/cm3 的密度）的一个 称 Hyper-K 或 HK）。HK 将具有 1 百万吨的探测质量， 自然中微子源，它的这些性质给我们提供了良好的研 在探测大气中微子、探索核子衰变和超新星中微子等 究超出标准模型之外新物理信号的机会。在惰性中微 物理目标之外，它同时还是一个更强的中微子束流长 子寻找、中微子非标准相互作用、中微子衰变、中微 基线实验的远端探测器。 子退相干效应、变质量中微子、寻找狭义相对论破坏 现代物理知识 中微子振荡这个撼动了几乎完美的粒子物理标准 20 中微子研究与进展 现确实是偶然得来的，但是这 不等同于碰运气。我们都知道 另外一句名言：“机会往往青 睐那些有准备的人”。没有神 冈及同代实验把质子衰变的本 底事例大气中微子的研究推到 那时人类认知的极限，科学家 们无法幸运地“偶然”观测到 同样具有划时代意义的超新星 1987A 的 中 微 子， 也 不 可 能 发 现大气中微子的异常；没有一 群固执的中微子物理学家们为 解决那“异常”去执着地追求 更可靠的实验装置、更多更精 确的中微子事例并用在此基础 上改进的物理分析去推进人类 对自然和宇宙的认知极限，发 现中微子振荡也无从谈起。科 学，需要踏踏实实且持之以恒 的努力。回顾历史展望未来， 我们可以看到在未来的中微子 研究中利用大气中微子的实验 图 12 通 过 增 加 光 学 传 感 器 DOM 的 密 度，IceCube/DeepCore 实 验 计 划 进 一 步 压 低探测能量的下限，建设 PINGU 实验，以便探测到不同中微子质量排序造成的大气中 微子在地球内部的物质效应的不同信号，进而测量中微子质量排序 仍然是不可或缺的一个研究方 式，它独特的性质与其他实验 手段形成了良好的互补，为人 模型的伟大科学发现是在研究理解质子衰变的大气中 类探索基础物理规律提供了一把宝贵的钥匙。我们期 微子本底事例过程中获得的，印证了那句古老谚语： 待大气中微子的研究能够帮助人类进一步推进认知前 “一人的垃圾是他人的宝藏”。很多伟大的科学发 沿，同时我们也时刻准备获得新的意想不到。 事们设计出能够利用糖生产鸦片类 虽然目前使用该技术尚无法 药物蒂巴因（thebaine）和氢可酮 进行大规模生产，但是却证明了酵 （hydrocodone） 的 酵 母 菌。 研 究 母菌可以像生产啤酒一样生产鸦片 酵母中提取鸦片类药物 工作结合了酶和生物工程，以及菌 类药物。未来可以在确保安全合法 在不久的将来，鸦片类药物 株优化技术。蒂巴因需要活跃于植 的情况下生产必需的药物，并且避 可以完全由酵母菌生物合成。斯 物、哺乳类动物、细菌和酵母菌自 免因种植罂粟而引发的法律问题。 坦福大学（Stanford University）的 身中的 21 种酶，而氢可酮需要 23 （高凌云编译自 2015 年 9 月 斯 莫 克（Christina Smolke） 和 同 种酶才能合成。 21 25 日《欧洲核子中心快报》） 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 )