整理撰稿人：中科院國(guó)家科學(xué)圖書館總館交叉與重大前沿團(tuán)隊(duì)

呂曉蓉（E-mai:lvxr@mail.las.ac.cn）、李澤霞

審稿專家：中科院高能物理所姜曉明研究員

1 中微子研究在粒子物理學(xué)中占有重要地位

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利[1]為了解釋?duì)滤プ冎心芰坎皇睾愕膯栴}而提出中微子假設(shè)，但由于中微子不帶電荷、質(zhì)量極小（小于電子質(zhì)量的百萬分之一）且?guī)缀醪慌c其他物質(zhì)相互作用（只參與弱相互作用和引力作用）而很難被探測(cè)到。因此長(zhǎng)期以來，中微子只是在理論物理學(xué)家的計(jì)算方程中出現(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)上始終無法證實(shí)它的存在。1934年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米提出了包含中微子的β衰變理論，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定量符合。1941年，我國(guó)物理學(xué)家王淦昌在美國(guó)《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表“關(guān)于探測(cè)中微子的建議”文章。美國(guó)物理學(xué)家艾倫根據(jù)王淦昌的方案進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)于1942年間接證實(shí)了中微子的存在。1956年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯等人利用核反應(yīng)堆作為強(qiáng)中微子源，在實(shí)驗(yàn)上首次直接觀測(cè)到中微子（電子反中微子），并因此而獲得1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子物理研究在歷史上共獲得3次諾貝爾獎(jiǎng)，而該領(lǐng)域仍將成為未來非?；钴S的研究領(lǐng)域。加速器中微子實(shí)驗(yàn)、大氣中微子實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)愈加激烈，例如，日本的T2K實(shí)驗(yàn)和美國(guó)的NOnA實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃中的中國(guó)江門中微子實(shí)驗(yàn)、美國(guó)LBNE實(shí)驗(yàn)、南極PINGU實(shí)驗(yàn)、日本Hyper-K實(shí)驗(yàn)、印度INO實(shí)驗(yàn)等，科學(xué)界期待著更為輝煌的成就?？v觀科學(xué)發(fā)展的歷程，每一次重大基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都引發(fā)了技術(shù)的新飛躍。目前科學(xué)家已經(jīng)開始展望未來中微子通訊的誘人前景以及用中微子探測(cè)地球內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造的中微子地球斷層掃描技術(shù)。中微子未來研究對(duì)粒子物理與宇宙學(xué)理論的突破以及對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響也許將超越人們的想象。

2 中微子振蕩成為中微子研究的核心問題

20 世紀(jì)60年代，中微子研究進(jìn)入嶄新階段。1962年，美國(guó)物理學(xué)家萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格等提出利用加速器產(chǎn)生中微子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了第二種中微子：μ中微子。這一杰出發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了輕子的二重態(tài)結(jié)構(gòu)，為弱電統(tǒng)一理論的建立奠定了基礎(chǔ)，該項(xiàng)成果榮獲1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1957年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家龐帝柯夫首先提出“中微子振蕩”猜想，認(rèn)為中微子與反中微子在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。局限于歷史條件，這一想法并不準(zhǔn)確，但其思想導(dǎo)致了現(xiàn)代的中微子振蕩理論：如果中微子質(zhì)量不嚴(yán)格為零，且中微子的質(zhì)量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)不同，根據(jù)量子力學(xué)原理，不同的中微子之間將可以相互轉(zhuǎn)換。這也是判斷中微子質(zhì)量是否為零的方法。中微子的質(zhì)量成為中微子研究中的一個(gè)關(guān)鍵議題。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，中微子的質(zhì)量為零，也就是說，中微子質(zhì)量不為零將導(dǎo)致超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。1968年，美國(guó)科學(xué)家戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子“失蹤”現(xiàn)象，即到達(dá)地球的太陽(yáng)中微子數(shù)只有理論預(yù)期值的1/3。印度的宇宙線實(shí)驗(yàn)（20世紀(jì)60年代）以及美國(guó)IMB和日本神岡實(shí)驗(yàn)（1985年）發(fā)現(xiàn)大氣中微子反?，F(xiàn)象。日本神岡探測(cè)器探測(cè)到來自超新星SN 1987A的中微子（1987年）。1998年，日本物理學(xué)家小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)（Super-K[2]）證實(shí)大氣中微子振蕩。2000年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)第三種中微子：τ中微子。2001年加拿大SNO[3]實(shí)驗(yàn)和日本反應(yīng)堆KamLAND[4]實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)了太陽(yáng)和反應(yīng)堆中微子振蕩現(xiàn)象、2002年日本K2K加速器實(shí)驗(yàn)則確認(rèn)大氣中微子振蕩。戴維斯和小柴昌俊在探測(cè)宇宙中微子方面所取得的杰出成就共同榮獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一成就催生了中微子天體物理學(xué)的誕生，打開了人類觀測(cè)宇宙的又一新“窗口”。中微子探測(cè)技術(shù)作為一種新的天文觀測(cè)手段，已成為研究早期宇宙形成、超新星爆發(fā)、恒星結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙暗物質(zhì)和暗能量的新“探針”。

3 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)將我國(guó)粒子物理學(xué)研究水平推向世界最前沿

2003年前后，中微子振蕩現(xiàn)象通過眾多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)得以確立。中微子振蕩與中微子質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，成為中微子研究中的核心問題。之前發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩可歸納為兩大類：大氣中微子振蕩和太陽(yáng)中微子振蕩。中微子振蕩存在3個(gè)未解決的問題：尋找第三種振蕩（sin22θ13）、質(zhì)量順序（Δm232的符號(hào)）問題以及對(duì)稱性破缺（δCP）問題。能否用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究后兩個(gè)問題與θ13的數(shù)值大小有關(guān)，因此θ13也決定了中微子物理實(shí)驗(yàn)的未來發(fā)展方向。2003年，美國(guó)物理學(xué)會(huì)將利用反應(yīng)堆測(cè)量混合角θ13列為中微子振蕩研究的第一優(yōu)先級(jí)研究方向。世界各國(guó)共提出了8個(gè)實(shí)驗(yàn)建議方案，其中有3個(gè)最終得以進(jìn)行，包括法國(guó)Double Chooz實(shí)驗(yàn)、中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)RENO實(shí)驗(yàn)。2003年，中科院高能物理所的科研人員提出利用大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子開展中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，提出了實(shí)驗(yàn)總體方案。由于大亞灣核電站的高功率（世界第二）及其有利的地理?xiàng)l件（緊鄰高山），使得大亞灣實(shí)驗(yàn)的預(yù)期精度達(dá)到了目前最高的國(guó)際設(shè)計(jì)精度，可將sin22θ13的測(cè)量精度提高到0.01。利用大亞灣反應(yīng)堆測(cè)量θ13是我國(guó)粒子物理發(fā)展的一個(gè)重大機(jī)遇。2006年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)立項(xiàng)，是我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國(guó)際合作項(xiàng)目，中國(guó)內(nèi)地總投資1.7億元，由中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、捷克、中國(guó)香港和臺(tái)灣科學(xué)家共同參與。2011年12月24日—2012年2月17日進(jìn)行的中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明[5]，中微子第三種振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%，從而首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式。該項(xiàng)重大研究成果榮登美國(guó)《科學(xué)》雜志[6]2012年度十大科學(xué)突破，其評(píng)價(jià)為“如果物理學(xué)家無法發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會(huì)代表粒子物理學(xué)的未來。大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時(shí)刻”。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人王貽芳研究員在新聞發(fā)布會(huì)上指出，這一重要研究成果是對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項(xiàng)新的認(rèn)知，對(duì)中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”，即宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象。

中國(guó)大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中率先取得重大突破性成果，將我國(guó)粒子物理學(xué)研究水平推向世界最前沿。中國(guó)有可能在未來10—15年內(nèi)在國(guó)際中微子物理研究領(lǐng)域占據(jù)重要地位。江門中微子實(shí)驗(yàn)（原稱大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)二期）的目標(biāo)已瞄準(zhǔn)“質(zhì)量順序問題”，以及混合參數(shù)精確測(cè)量、超新星中微子等多個(gè)前沿重大目標(biāo)，未來的加速器實(shí)驗(yàn)將有望解決“CP對(duì)稱破缺角”的測(cè)量，而中微子的CP破壞很有可能與宇宙早期的物質(zhì)起源問題有關(guān)。

中微子其他待解決的問題還有不少。例如，中微子是Dirac或Majorana費(fèi)米子，即中微子是否是自己的反粒子將是粒子物理的一個(gè)根本問題；中微子的絕對(duì)質(zhì)量仍然未知；中微子磁矩測(cè)量、超新星中微子研究、宇宙大爆炸中微子探測(cè)等仍將成為粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)共同關(guān)注的研究前沿與熱點(diǎn)方向，等等。

1 Pauli W.Handbuch der Physik.Springer,1933,（24）：Part I.

2 Fukuda S et al.Super-Kamiokande Collab.Phys.Rev.Lett.,1998,（81）：1562-1567.

3 Q.R.Ahmad et al.,SNO Collab.Phys.Rev.Lett.,2001,（87）：071301-1-6.

4 Eguchi K et al.KamLAND Collab.Phys.Rev.Lett.,2003,（90）：021802-1-6.

5 An F P et al.Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay.Phys.Rev.Lett.,2012,（108）：171803-1-7.

6 ChoA.Key Neutrino Measurement Signals China's Rise.Science,2012,（335）：1287-1288.