Apollonio, M; Baldini, A; Bemporad, C; et al.

Neutrino oscillations in matter

T. K. Kuo; James Pantaleone

Phenomenology of neutrino oscillations

Bilenky, SM; Giunti, C; Grimus, W

大亞灣與江門中微子實驗

曹俊

（中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

大亞灣反應堆中微子實驗

王貽芳

熱點追蹤

中微子振蕩

·編者按·

瑞典皇家科學院10月6日宣布，將2015年諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩方面所作的貢獻。中微子在很長一段時間都被認為沒有質(zhì)量，這兩位科學家的發(fā)現(xiàn)證明了中微子振蕩現(xiàn)象，揭示出中微子具有微小的質(zhì)量。這是粒子物理學的歷史性發(fā)現(xiàn)。瑞典皇家科學院在新聞公報中說，這兩名獲獎者“對證明中微子轉(zhuǎn)變身份的實驗做出了關(guān)鍵性貢獻。這種轉(zhuǎn)變需要中微子具有質(zhì)量。他們的發(fā)現(xiàn)改變了人類對物質(zhì)最深層機制的理解，并能提升對宇宙的認知”。

中微子是一種不帶電，質(zhì)量極其微小的基本粒子，也是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元之一，共有三種類型，在目前已知構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子中，占了1/4，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中同時扮演著極為重要的角色。中微子有一個特殊的性質(zhì)，即它可以在接近光速的飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，稱為中微子振蕩。上世紀七十年代發(fā)現(xiàn)太陽中微子少于預期，稱為“太陽中微子失蹤之謎”；八十年代尋找質(zhì)子衰變時意外發(fā)現(xiàn)大氣中微子也少于預期，稱為“大氣中微子反?！?。經(jīng)過數(shù)十年研究，大氣中微子振蕩現(xiàn)象于1998年為梶田隆章領(lǐng)導下的超級神岡實驗所發(fā)現(xiàn)，太陽中微子振蕩現(xiàn)象于2001年被麥克唐納領(lǐng)導下的薩得伯里實驗確認。此后，多個實驗驗證了上述振蕩現(xiàn)象，包括反應堆中微子實驗KamLAND和加速器中微子實驗K2K/T2K。

2012年中國大亞灣中微子實驗測量到了一種新的中微子振蕩，發(fā)現(xiàn)其振蕩幾率遠大于預期，確定了中微子物理未來發(fā)展方向，并有助于破解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”。目前，多個新的中微子振蕩實驗開始建設(shè)或正在申請中，將研究中微子質(zhì)量順序、電荷宇稱破壞、精確測量振蕩參數(shù)等。在這些新實驗中，由中國主持的第二個大型中微子實驗——江門中微子實驗今年1月在廣東省江門市建設(shè)啟動。其首要科學目標是利用反應堆中微子振蕩確定中微子質(zhì)量順序，并將在精確測量、超新星中微子、太陽中微子、大氣中微子、質(zhì)子衰變、暗物質(zhì)探測等方向開展國際先進水平的研究，實驗站將于2020年投入運行。

本專題得到曹俊研究員（中國科學院高能物理研究所）的大力支持。

·熱點數(shù)據(jù)排行·

截至2015年10月31日，中國知網(wǎng)（CNKI）和Web of Science（WOS）的數(shù)據(jù)報告顯示，以“中微子（Neutrino）、中微子振蕩（Neutrino Oscillation）”為詞條可以檢索到的期刊文獻分別為346與8527條，本專題將相關(guān)數(shù)據(jù)按照：研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)、作者發(fā)文數(shù)、期刊發(fā)文數(shù)、被引用頻次進行排行，結(jié)果如下。

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

研究機構(gòu)發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

作者發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

作者發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（CNKI）

期刊發(fā)文數(shù)量排名（WOS）

根據(jù)中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)報告，以“中微子（Neutrino）、中微子振蕩（Neutrino Oscillation）”為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下。

國內(nèi)數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

根據(jù)Web of Science統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以“中微子（Neutrino）、中微子振蕩（Neutrino Oscillation）”為詞條可以檢索到的高被引論文排行結(jié)果如下。

國外數(shù)據(jù)庫高被引論文排行

·經(jīng)典文獻推薦·

基于Web of Science檢索結(jié)果，利用Histcite軟件選取LCS（Local Citation Score，本地引用次數(shù)）TOP 30文獻作為節(jié)點進行分析，得到本領(lǐng)域推薦的經(jīng)典文獻如下．

來源出版物: Physical Review Letters, 1998, 81(8): 1562-1567

Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station

Apollonio, M; Baldini, A; Bemporad, C; et al.

Abstract:This final article about the CHOOZ experiment presents a complete description of the (v) over bar (e) source and detector, the calibration methods and stability checks, the event reconstruction procedures and the Monte Carlo simulation. The data analysis, systematic effects and the methods used to reach our conclusions are fully discussed. Some new remarks are presented on the deduction of the confidence limits and on the correct treatment of systematic errors.

Keywords:antineutrino-induced reactions; experimental beta-spectra; fission-products; atmospheric neutrinos; reactor; kamiokande; pu-239; bugey; ratio; decay

來源出版物: European Physical Journal C, 2003, 27(3): 331-374

Neutrino oscillations in matter

T. K. Kuo; James Pantaleone

Abstract:Nonzero neutrino masses would provide new, unique information on particle physics beyond the standard model. Neutrino flavor oscillations provide the most sensitive method for directly testing for small neutrino masses. When the oscillations occur in matter, a resonance can occur that dramatically enhances the flavor mixing and can lead to conversion from one neutrino flavor to another. This is anattractive solution to the long-standing “solar neutrino problem.” The phenomenon of neutrino oscillations in matter is reviewed. Analytic descriptions of the neutrino flavor survival probability in matter are considered in detail. A discussion is given for applications of neutrino oscillations in matter for the sun, Earth, supernovae, and the early universe.

來源出版物: Reviews of Modern Physics, 1989, 61(4): 937-979

Phenomenology of neutrino oscillations

Bilenky, SM; Giunti, C; Grimus, W

Abstract:This review is focused on neutrino mixing and neutrino oscillations in the light of the recent experimental developments. After discussing possible types of neutrino mixing for Dirac and Majorana neutrinos and considering in detail the phenomenology of neutrino oscillations in vacuum and matter, we review all existing evidence and indications in favour of neutrino oscillations that have been obtained in the atmospheric, solar and LSND experiments. We present the results of the analyses of the neutrino oscillation data in the framework of mixing of three and four massive neutrinos and investigate possibilities to test the different neutrino mass and mixing schemes obtained in this way. We also discuss briefly future neutrino oscillation experiments.

Keywords:double-beta-decay; standard electroweak model; big-bang nucleosynthesis; maximal CP nonconservation; super-kamiokande detector; conserved lepton number; reconciling dark-matter; nuclear-power-reactor; quark mass matrices; exact parity model

來源出版物: Progress in Particle and Nuclear Physics, 1999, 43: 1-86

·推薦綜述·

大亞灣與江門中微子實驗

曹俊

（中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

1 引言

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本的單元之一。與其他基本粒子——夸克和帶電輕子相比，它們性質(zhì)獨特，而且很難探測，是人們了解最少的粒子，存在眾多未解之謎。對中微子未知問題的研究，不僅將完善我們對物質(zhì)世界最基本規(guī)律的認識，也很有可能導致對現(xiàn)有粒子物理理論體系——標準模型的突破，踏入新物理的大門。步入21世紀，中微子研究蓬勃發(fā)展，成為粒子物理最重要的分支之一，而且擴展到天文學、宇宙學、地球物理等多個學科，形成了“中微子科學”。

中微子的實驗研究有60多年的歷史，取得了許多重大發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)3種中微子、發(fā)現(xiàn)中微子振蕩等，先后3次被授予諾貝爾獎。我國的中微子實驗研究起步很晚，但取得了舉世矚目的成績。2003年提出進行大亞灣反應堆中微子實驗的構(gòu)想，2011年底實驗建成，短短2個多月后就發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式[1]，震驚了國際粒子物理界，被美國《Science》雜志評為當年的十大科學突破[2]。2008年大亞灣實驗剛開始建設(shè)，我們就提出了下一步測量中微子質(zhì)量順序的設(shè)想[3,4]。大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)中微子混合角θ13遠大于預期，大大提高了該設(shè)想的可行性。2013年江門中微子實驗（JUNO）得以立項，預期2020年建成。它以確定質(zhì)量順序和精確測量混合參數(shù)為主要物理目標，同時可以開展超新星中微子、太陽中微子、地球中微子、大氣中微子等多項國際領(lǐng)先水平的研究。最近我們提出了一種嶄新的加速器中微子產(chǎn)生方法，正在開展前期研究；通過國際合作參與無中微子雙貝塔實驗，以研究中微子的粒子本性。這些研究涵蓋了中微子物理中的大部分重大問題。

可以預期，在未來的一二十年，中微子實驗物理將取得豐碩的成果，而我國將在這一領(lǐng)域做出重大貢獻，成為國際中微子研究的中心之一。

2 中微子物理

中微子共有3種，分別是電子中微子（?e），繆中微子（?μ）和陶中微子（?τ）。它們與對應的3種帶電輕子e，μ，τ以及6種夸克一起構(gòu)成了物質(zhì)世界的基本單元。

1930年，為了解釋貝塔（β）衰變中能量似乎不守恒，奧地利物理學家泡利提出可能存在一種不帶電、質(zhì)量非常輕、幾乎不與物質(zhì)相互作用的粒子，稱之為中微子。1956年柯萬和雷因斯首次直接探測到中微子，雷因斯因此獲得了1995年的諾貝爾獎。他們探測到的是由核反應堆釋放的電子反中微子。1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格在布魯克海漢實驗室用加速器發(fā)現(xiàn)了第二種中微子——繆中微子，獲得了1988年的諾貝爾獎。1989年，歐洲核子研究中心通過Z0衰變截面的測量，證明存在且只存在3種中微子。最后一種中微子——陶中微子直到2000年才被美國費米實驗室的DONUT實驗發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在中微子的實驗研究大致可以分成兩類，一類是中微子振蕩研究，另一類是非振蕩物理，包括絕對質(zhì)量的測量、無中微子雙貝塔衰變（0vββ）尋找惰性中微子、尋找非標準相互作用和反常磁矩，以及中微子天文學等。

2.1 中微子振蕩

在標準模型中，中微子是沒有質(zhì)量的。1956年李政道和楊振寧預言宇稱不守恒，很快被吳健雄用實驗證實。實驗發(fā)現(xiàn)在弱作用中宇稱不僅不守恒，而且是最大破壞的。造成這一現(xiàn)象的原因?qū)嵸|(zhì)是只存在左手螺旋度的中微子（即它的自旋總是與運動方向相反），不存在右手中微子。這只有中微子質(zhì)量為零才能成立，因為質(zhì)量不為零的話，那么中微子的速度必然小于光速，可以選擇一個比它還快的參考系，讓它的螺旋度發(fā)生翻轉(zhuǎn)。根據(jù)這一現(xiàn)象，李政道和楊振寧提出了弱作用的V-A理論，被標準模型所繼承，與各種實驗數(shù)據(jù)符合非常好。因此，一直到發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，我們都認為中微子是沒有質(zhì)量的。

龐蒂科夫在1957年提出，假如中微子有微小的質(zhì)量，而且存在不同種類的中微子，就有可能會出現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中會變成另一種中微子。

1968年，布魯克海漢實驗室的戴維斯在美國Homestake的一個廢舊金礦中觀測到了來自太陽的中微子，他發(fā)現(xiàn)測到的中微子個數(shù)只有預期的三分之一，稱為“太陽中微子失蹤之謎”。中微子振蕩是一個很自然的解釋，然而定量的研究發(fā)現(xiàn)，這個解釋存在很多矛盾的地方，不同實驗的結(jié)果也相互矛盾。1978年，美國理論物理學家沃芬斯坦注意到電子中微子在物質(zhì)中會受到電子的散射，將改變中微子的振蕩效應。1986年，前蘇聯(lián)的理論物理學家米赫耶夫和斯米爾諾夫?qū)⑦@個想法用于解釋太陽中微子問題。后來人們才意識到，這些實驗看到的太陽中微子振蕩并不是在從太陽飛到地球的過程中發(fā)生的（真空振蕩），而是在太陽內(nèi)部的物質(zhì)場內(nèi)發(fā)生的，這樣原來矛盾的地方就可以得到解釋。

1988年日本神岡實驗發(fā)現(xiàn)測得的大氣繆中微子比預期少，稱為“大氣中微子反?！?。1998年升級后的超級神岡實驗精確測得了繆中微子數(shù)隨天頂角（即飛行距離）的變化關(guān)系，以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩。2001年，加拿大SNO實驗同時探測太陽中微子在探測器內(nèi)發(fā)生的3種過程，發(fā)現(xiàn)電子中微子確實丟失了，但中微子的總數(shù)并沒有變。2002年日本KamLAND實驗用反應堆中微子證實了太陽中微子振蕩模式。2003年日本K2K實驗和2006年美國MINOS實驗也用加速器證實了大氣中微子振蕩模式。中微子振蕩現(xiàn)象被大量實驗證據(jù)所確立。

中微子振蕩間接說明中微子有質(zhì)量，這是目前發(fā)現(xiàn)的唯一超出粒子物理標準模型的實驗現(xiàn)象。

中微子振蕩是一種量子相干現(xiàn)象。中微子本身不能被探測，它的產(chǎn)生和探測必須通過弱相互作用，因此，產(chǎn)生時和被探測時都是味本征態(tài)。中微子有質(zhì)量，但是味本征態(tài)沒有理由與質(zhì)量本征態(tài)正好重合。這樣，一個味本征態(tài)可以看作是3個不同質(zhì)量本征態(tài)的線性疊加。在中微子以非常接近光速飛行時，不同質(zhì)量本征態(tài)的物質(zhì)波固有頻率不同，飛行一段距離后，由于量子相干的結(jié)果，將會出現(xiàn)其他味本征態(tài)的分量，即有一部分變成了其他種類的中微子。微觀的量子干涉現(xiàn)象能夠在宏觀上表現(xiàn)出來，主要得益于中微子的質(zhì)量非常輕，與光速的差別一般小于10的負十幾次方，不同質(zhì)量的中微子飛行速度相差無幾，在長距離飛行后仍然能保持相干性。

3種味本征態(tài)由3種質(zhì)量本征態(tài)組合，可以表示為：

其中（?e、?μ、?τ）是味本征態(tài)，（?1、?2、?3）是質(zhì)量分別為ml，m2，m3的質(zhì)量本征態(tài)。U是一個3×3的么正混合矩陣，稱為PMNS矩陣。為了使物理意義更清楚，可以將混合矩陣參數(shù)化為3個歐拉轉(zhuǎn)動矩陣的積：

其中第1項θ23主要與大氣中微子振蕩相關(guān)，第3項θ13主要與太陽中微子振蕩相關(guān)，中間一項θ13和δCP主要與反應堆中微子和加速器中微子振蕩相關(guān)。在上述表達式中，忽略了兩個與中微子振蕩無關(guān)的相位角。加上3種中微子之間的質(zhì)量平方差（其中兩個是獨立的），例如共需要6個參數(shù)來描述中微子振蕩。

由于兩個質(zhì)量平方差相差30倍，中微子振蕩經(jīng)?？梢越瞥蓛纱形⒆拥幕旌?。例如對能量為E（MeV）的中微子，飛行距離L（m）后，仍然是同類中微子的幾率是：

上述幾率也叫存活幾率.相反，1-Psur就是它轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類中微子的幾率。

這里假定了中微子質(zhì)量順序為正序（m3＞m2＞m1）。如果為反序（m2＞m1＞m3），的值略有不同?？梢钥闯黾s為的30倍。混合角θ12，θ23很大而θ13較小，這與夸克混合中的3個小混合角很不一樣。

2.2 中微子的未知問題

中微子研究最近取得了不少重大突破，但仍然存在眾多未解之謎。這些問題相互關(guān)聯(lián)，每個謎底都有可能改變我們對微觀世界和宇宙的看法。因此，在未來相當長的一段時間內(nèi)，它將仍是粒子物理的前沿熱點之一。

中微子有質(zhì)量是目前唯一有堅實證據(jù)證明超出粒子物理標準模型的現(xiàn)象。如何將中微子質(zhì)量納入標準模型中，首先會碰到它的粒子本性問題：它是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子？中微子自旋為1/2，是費米子。其他的費米子都是帶電荷的，而中微子不帶。這樣，中微子可以像其他費米子一樣，是狄拉克粒子，有一個狄拉克質(zhì)量項，也可以是一種與眾不同的馬約拉納粒子，即它的反粒子就是它自身，只是螺旋度相反。由于它的質(zhì)量太小，目前唯一可行的研究辦法就是尋找不釋放中微子的雙貝塔衰變。第二個問題是絕對質(zhì)量是多少？通過中微子振蕩只能測出中微子的質(zhì)量平方差。精確測量貝塔衰變的電子能量端點，或者測量0vββ衰變（假如存在這類衰變的話），可以得到中微子質(zhì)量的另一個關(guān)系，從而解出3種中微子的質(zhì)量.另一種辦法是宇宙學測量，Planck衛(wèi)星最近給出了3種中微子質(zhì)量之和的最佳測量結(jié)果，為（0.320士0.081） eV[6]。第三個問題是中微子質(zhì)量順序是正序還是反序？不同的質(zhì)量順序不僅影響中微子振蕩的大小，也是得到其絕對質(zhì)量的前提。它還對0vββ實驗的前景有重大影響。如果觀察到了0vββ衰變現(xiàn)象，則中微子肯定是馬約拉納粒子。如果沒有觀察到，對反序情況，未來一二十年達到的精度將能確定它是狄拉克粒子，如果是正序則仍然不能得出結(jié)論。由于中微子數(shù)目眾多，在整個宇宙空間內(nèi)為330個/cm3,它的質(zhì)量問題對宇宙的起源與演化有重要影響。

如2.1中介紹的，除質(zhì)量順序外，中微子振蕩參數(shù)中還有CP破壞相角的大小和θ23的八重度兩個問題。其中CP破壞相角與宇宙中反物質(zhì)消失之謎有關(guān)，是宇宙起源必須解決的關(guān)鍵問題。

第六個問題為惰性中微子是否存在？美國LSND實驗1995年觀測到極短距離的中微子振蕩現(xiàn)象[7]，有人認為存在質(zhì)量在1 eV附近的中微子。由于加速器上Z0粒子衰變實驗己經(jīng)證明只有3種參與弱作用的中微子，只能假定存在一種標準模型之外的、不參與弱作用的粒子，稱為“惰性中微子”。還有一些其他跡象支持惰性中微子的存在，如反應堆中微子反常、GELLEX反常、宇宙學測量等。專門設(shè)計來驗證LSND實驗的MiniBooNE實驗也未能得到有說服力的結(jié)果[8]。惰性中微子激起了相當一部分人的興趣。新設(shè)計的實驗包括距反應堆幾米的地方測量中微子振蕩、近距離的加速器中微子實驗、利用放射源近距離測量中微子等等。也許未來一二十年內(nèi)能夠證實或否定它的存在。

第七個問題是PMNS矩陣是否幺正？如果存在超過3種中微子，那么3×3的混合矩陣就是一個更大的么正混合矩陣的子矩陣，因而不是么正的。最輕的中微子與頂夸克的質(zhì)量相差15個數(shù)量級。同一個希格斯粒子，即要產(chǎn)生頂夸克那么大的質(zhì)量，又要產(chǎn)生中微子那么小的質(zhì)量，如此懸殊的差距讓人很難相信。有一類很受物理學家喜歡的理論，叫“蹺蹺板機制”，它假定中微子是馬約拉納粒子，同時存在尚未發(fā)現(xiàn)的、跟頂夸克差不多重的重中微子，這樣中微子的微小質(zhì)量可以得到很自然的解釋。如果存在重的馬約拉納中微子或者輕的惰性中微子，有可能通過檢驗PMNS矩陣的么正性來發(fā)現(xiàn)。新中微子將帶來標準模型之外新物理的線索。

中微子還存在其他的未知問題，例如，如何測量混合參數(shù)中與中微子振蕩無關(guān)的另外兩個相位角；如何測量宇宙大爆炸背景中微子；探測超新星中微子、超新星遺跡中微子、超高能宇宙線中微子、地球中微子等等，它們與宇宙、天體、地球的起源與演化有關(guān)。

3 大亞灣反應堆中微子實驗

3.1 實驗背景

2002年，中微子振蕩現(xiàn)象被眾多實驗證據(jù)所確立，通過大氣中微子實驗和太陽中微子實驗測得了兩組混合角和質(zhì)量平方差，最后一個混合角θ13成為前沿熱點。之前，1998年法國CHOOZ實驗[9]和1999年美國Palo Verde實驗[10]發(fā)現(xiàn)它比另外兩個混合角小得多，只給出了上限值sin22θ13＜0.17。

加速器中微子實驗和反應堆中微子實驗都可以測量θ13。加速器實驗的振蕩幾率與未知參數(shù)δCP和質(zhì)量順序有關(guān)，能夠確定θ13是否非零，但無法精確測量θ13。反應堆中微子實驗可以精確測量θ13，物理干凈，但對實驗精度要求很高。1999年Mikaelyan和Sinev提出在不同距離放置探測器，利用遠近相對測量抵消系統(tǒng)誤差，實現(xiàn)精確測量[11]。

由于該測量的重要意義，自2003年起，先后有7個國家提出了8個方案，計劃用反應堆精確測量θ13，包括俄羅斯Krasnoyarsk，法國Double Chooz，日本KASKA，美國Braidwood和Diablo Canyon，巴西Angra，韓國RENO和中國大亞灣。大亞灣具有反應堆群功率大、鄰近高山等地理優(yōu)勢，是進行該實驗的最佳地點，同時實驗方案上有多模塊測量、探測器可移動、水池屏蔽、采用反射板等一系列獨創(chuàng)設(shè)計，不僅實驗精度最高，單位造價也最低。最終有三個方案得以實施，分別是大亞灣實驗、Double Chooz和RENO。由于起初普遍認為θ13可能很小，需要測量sin22θ13到0.01的靈敏度，才能對中微子的未來發(fā)展起指導作用。只有大亞灣達到了這個要求，Double Chooz和RENO實驗的靈敏度只有0.02～0.03左右。

大亞灣中微子實驗自2003年開始醞釀，2006年5月和2007年1月，中國科學院和國家科技部先后對大亞灣實驗立項，并得到了國家自然科學基金委、廣東省、深圳市、中國廣東核電集團的聯(lián)合經(jīng)費支持。實驗2007年10月破土動工，2011年8月15日大亞灣近點投入運行，同年12月24日全部3個實驗站點投入運行。為加快實驗進度，贏得國際競爭，計劃中的8個探測器只安裝了6個。2012年3月8日，大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式，精確測量了混合角θ13，在國際上引起轟動。2012年10月19日，余下2個探測器安裝完畢，實驗全部建成。

大亞灣實驗是一個以我為主、多國參與的重大國際合作項目。2006年成立國際合作組并不斷發(fā)展壯大，由來自中國、中國香港、中國臺灣、美國、俄羅斯、捷克的40個研究機構(gòu)、約250名研究人員組成。其中中國承擔全部的土建工程和一半的探測器研制。美國投入總經(jīng)費3400萬美元，研究人員約100人，承擔約一半的探測器。其他國家和地區(qū)各有幾十萬至一百萬美元的實物或經(jīng)費貢獻。這是中美在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域規(guī)模最大的合作之一在國內(nèi)也開創(chuàng)了國家、地方與企業(yè)共同支持基礎(chǔ)科學研究的先河。

3.2 實驗原理

與大部分反應堆中微子實驗一樣，大亞灣實驗采用液體閃爍體（液閃）探測器，通過反β衰變反應來探測反應堆中微子。液閃將粒子的電離能量轉(zhuǎn)化為可見光光子，通過光電倍增管（PMT）探測，從而探測到粒子并確定其能量。液閃主要成分為碳氫化合物，既是中微子反應的靶物質(zhì)，也是粒子的探測介質(zhì)。一個反應堆中微子（ve）與液閃中的氫核（P）反應，生成一個正電子（e＋）和一個中子（n）：

正電子在反應發(fā)生時立即產(chǎn)生一個信號，稱為快信號。中子需要在液閃中慢化成熱中子，然后在核上俘獲，釋放伽馬，形成第二個信號，稱為慢信號?？炻盘柕臅r間符合測量能夠大大降低實驗本底。中子在普通液閃的氫核上俘獲釋放2.2 MeV的單能伽馬，俘獲時間約為200 μs。大亞灣實驗采用含釓質(zhì)量比為0.1%的摻釓液閃，84%的中子將在釓上俘獲，俘獲時間降為28 μs，釋放出總能量為8 MeV的幾個伽馬，遠離天然放射性本底能區(qū)，進一步降低本底。中微子的能量其中Eprompt是正電子形成的快信號能量，包括正電子的動能和湮滅產(chǎn)生的兩個0.511 MeV的伽馬能量，E—n為中子的平均反沖動能，非常小，約為10 KeV。0.78 MeV來自質(zhì)子與中子的質(zhì)量差減去一個電子的質(zhì)量。

反應堆是很好的中微子源。商用的反應堆一般是壓水堆或沸水堆，核燃料為濃縮到2%～4.5%的鈾235，其他成分為鈾238。在運行過程中，鈾238可以俘獲中子，產(chǎn)生钚239和钚241。反應堆產(chǎn)生的能量和中微子主要由這4種核素裂變提供。這4種核素每次裂變釋放的能量都在200 MeV左右。裂變產(chǎn)物一般為不穩(wěn)定的放射性同位素，反應堆中微子就是它們的p衰變釋放的。裂變產(chǎn)物非常復雜，質(zhì)量數(shù)有一個分布，輕的碎片平均質(zhì)量數(shù)為94，重的為140。根據(jù)核素的β穩(wěn)定線，這些碎片都是中子偏多的，平均需要6次β衰變才能變成穩(wěn)定核素，因此每裂變會釋放出6個中微子。大亞灣每個反應堆的熱功率為2.9 GW，根據(jù)每裂變釋放200 MeV能量和6個中微子，可以估計出每秒鐘釋放5×1020個中微子。它們各向同性地飛離反應堆，流強反比于距離的平方。

反β衰變反應的閡值是1.8 MeV。在反應堆釋放的中微子中，只有20%的能量大于閡值而能被探測到。大致說來，在1 km處探測器探測到的中微子數(shù)為每噸靶質(zhì)量每GW每天1個事例。由于4種核素釋放的中微子譜不一樣，而核素的成分隨著反應堆燃燒而演化，燃料循環(huán)初期這個事例率會比末期高約10%。采用不同的液體閃爍體作靶，氫原子密度不同，事例率也會略有變化。

由于裂變反應的產(chǎn)物非常復雜，理論計算的中微子能譜只能準確到10%。法國的ILL實驗用熱中子輻照純的鈾235，239和钚241，測量其β譜，然后逐段擬合，得到每種核素裂變釋放的中微子能譜。鈾238則采用理論計算得到中微子譜。核素隨時間的演化可以通過堆芯模擬得到，熱功率可測量到0.5%的精度，再加上一些小的修正，反應堆中微子流強現(xiàn)在可以計算到2%～3%的精度。

反應堆中微子的存活幾率為：

其中

為了對未來的中微子實驗指明方向，大亞灣實驗的靈敏度設(shè)計為0.01，即只要sin22θ13＞0.01，大亞灣實驗就可以在90%的置信水平上測量出來。對應的誤差約為0.6%。這在粒子物理實驗中是一個非常高的精度。如果反應堆中微子流強的計算精度為2%～3%，實驗的誤差就不可能小于這個值，我們在距反應堆很近、振蕩還沒有發(fā)生的地方也放置探測器，用來監(jiān)測反應堆的流強，通過遠近點的相對測量，將這個誤差抵消掉。由于大亞灣的反應堆分得比較開，我們設(shè)計了兩個近點，一個監(jiān)測大亞灣核電站的兩個堆，另一個監(jiān)測嶺澳和嶺澳二期核電站的4個堆，實驗的布局如圖1所示。

遠近相對測量不僅能消除反應堆的誤差，也能抵消大部分探測器的誤差。比如說，大亞灣實驗中作為中微子靶物質(zhì)的液體閃爍體主要是用烷基苯配制成的，而烷基苯是一種混合物，它含的碳和氫的成分比例不能精確知道。通過化學方法可以測量到0.5%左右。如果我們對遠近點的探測器用同樣的液體閃爍體，雖然我們不知道具體的碳氫比例，但遠近點是一樣的，如果遠點高估了，近點也會高估同樣的大小，這個誤差就抵消掉了。原則上，只要遠近點的探測器一模一樣，即使我們不知道絕對的探測效率，也不會給θ13的測量帶來誤差。

實際上，不可能做出完全一樣的探測器，它們之間的差別就是探測器的相對誤差.通過模擬計算，我們估計可以做到使它們之間的相對誤差小于0.38%。為了能過實驗數(shù)據(jù)證明誤差估計，我們設(shè)計每個點放多個探測器。其中兩個近點各放兩個中微子探測器（AD），遠點由于距離遠，中微子流強隨距離平方變得比較小，我們放置了4個探測器。通過比較同一個點的兩個探測器探測到的中微子事例，就可以確定出探測器的誤差到底是多少。在獲取了3個月的數(shù)據(jù)后，我們確定出探測器的相對誤差僅為0.2%，好于設(shè)計指標[12]。

地面上有相當多的高能宇宙射線，大約每平方米每秒200個。這些宇宙線以及它們產(chǎn)生的次級粒子、長壽命同位素等會淹沒稀少的中微子信號。因此實驗必須在地下進行，依靠山來屏蔽宇宙射線。上述3個實驗廳都位于地下，用水平隧道相連。EH1和EH2上的巖石約有100 m厚，而EH3則位于地下350 m。

3.3 實驗裝置

大亞灣實驗的每個地下實驗廳內(nèi)有3種探測器：中微子探測器（又稱中心探測器）、水切倫科夫探測器、阻性板探測器（RPC）。圖2為1號實驗廳（EH1）的實景圖。為了屏蔽巖石中的天然放射性，兩個圓柱形的中微子探測器浸泡在巨大的水池中，四周至少有2.5 m厚的水屏蔽。水池內(nèi)安裝光電倍增管，兼做水切倫科夫探測器以探測宇宙線。遠處為用來探測宇宙線的RPC陣列。完成全部安裝后，水池將用密封蓋實現(xiàn)光密封與氣密封，RPC將通過滑軌移動至水池正上方。

中心探測器是3層同心圓柱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。最內(nèi)層是20 t摻釓液閃，作為探測反應堆中微子的靶物質(zhì)，裝在直徑3 m、高3 m的有機玻璃罐內(nèi)。中間層是21 t普通液閃，裝在直徑4 m、高4 m的有機玻璃罐內(nèi)，用來收集中微子信號泄露出內(nèi)層的伽馬能量，以提高探測效率，減小誤差。最外層是37 t礦物油，裝在直徑5 m、高5 m的不銹鋼罐內(nèi)，以屏蔽來自探測器材料，如鋼罐材料、PMT玻璃等的天然放射性本底。在礦物油內(nèi)，192只8 in （1 in=2.51 cm）的光電倍增管被均勻地安裝在鋼罐的內(nèi)桶壁，用以探測液體閃爍體發(fā)出的光信號。在4 m有機玻璃罐的上下底部安裝有反射板，提高光信號的收集效率。整個探測器重約110 t。在鋼罐頂部，放置有3個自動刻度裝置。每個自動刻度裝置可以將發(fā)光二極管（LED）、正電子源（68Ge）、伽馬源（60Co）和中子源（Am-C）置于探測器內(nèi)，沿3條垂直線進行能量刻度。

摻釓液體閃爍體是實驗的核心技術(shù)。大亞灣的普通液閃用烷基苯（一種洗滌劑原料）作為溶劑，加上3 g/L的發(fā)光物質(zhì)PPO和15 mg/L的波長移位劑bis-MSB為溶質(zhì)。烷基苯具有閃點高、基本無毒、透明性好、易于大規(guī)模獲得的優(yōu)點。將無機物釓摻入有機液閃中是世界難題，之前的CHOOZ實驗就因為釓析出導致液閃變壞而不得不提前終止。大亞灣實驗采用異壬酸與氯化釓絡(luò)合，然后將絡(luò)合物溶入普通液閃中，得到性能優(yōu)良、長期穩(wěn)定的摻釓液閃[13]。其光學衰減長度為15 m（在430 nm的波長處），是己知透明度最好的液閃。發(fā)光效率相當于蒽晶體的50%，約10000光子/MeV。大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備先在北京高能所完成研制與測試，然后運至大亞灣。液閃的生產(chǎn)在地下5號廳進行，生產(chǎn)、存儲設(shè)備過流部分全部采用氟塑料、有機玻璃、尼龍3種材料，以防止污染。

3 m和4 m有機玻璃罐也是探測器的難點之一，側(cè)壁厚分別為10和18 mm。為保證8個探測器盡量全同，幾何精度要求非常高，例如3 m罐的外徑設(shè)計要求為（3120±5） mm，實際精度為士1.7 mm，體積的誤差僅為0.17%。為保證不損壞薄壁的有機玻璃罐，3種液體同步灌裝，灌裝過程中液位差控制在20 cm以內(nèi)。灌裝的液體量由科里奧利流量計測量，關(guān)鍵的摻釓液閃還有專門的20噸灌裝罐，并安裝地秤，使靶質(zhì)量的測量精度達到0.019%[12]。

采用反射板是大亞灣探測器的獨創(chuàng)設(shè)計，在同樣的光收集效率下可減少一半PMT的用量，大大降低造價，同時也降低了探測器的機械難度。反射膜采用反射率98%以上的鏡反射膜ESR，夾在兩層直徑4.5 m，厚1 cm的有機玻璃板中，密封后抽真空，光學面基本沒有擋光的死材料。表1列出了大亞灣與RENO和Double Chooz實驗的光收集效率比較，同等光陰極覆蓋面積的情況下，大亞灣的光電子產(chǎn)額為RENO的1.77倍，Double Chooz的2.18倍。

由于反應堆中微子能量較低，與天然放射性能區(qū)重合，因此需要采用低放射性本底探測器。大亞灣中心探測器的幾十種材料和部件都需要經(jīng)過放射性檢測。其中不銹鋼外罐為特殊生產(chǎn)的低本底鋼材，PMT玻璃采用無鉀玻璃，液閃原材料氯化釓、異壬酸等都經(jīng)過特殊純化，最終探測器的本底事例率為40 Hz（＞1 MeV），好于100 Hz的設(shè)計指標。

中心探測器運行時泡在巨大的水池中，近點實驗廳的水池為16 m×10 m×10 m，遠點為16 m×16m×10 m，放入中心探測器后水量分別為1400 t和2170 t。中心探測器放置在水池內(nèi)2.5 m高的平臺上，保證各個方向都有至少2.5 m厚的水屏蔽。水屏蔽層將來自周圍花崗石的天然放射性降低1百萬倍以上，基本消除了它的影響。它也將宇宙線在巖石中產(chǎn)生的中子本底降低30倍。水池用復合Tyvek反射膜分成光學不透明的內(nèi)外兩層，即內(nèi)水池和外水池.內(nèi)水池和外水池內(nèi)分別裝有合適數(shù)目的PMT來探測穿過水池的宇宙射線繆子產(chǎn)生的切倫科夫光，構(gòu)成雙重的繆子探測器。

水池內(nèi)的水由地下4號廳內(nèi)的純水裝置生產(chǎn)，分送到3個實驗廳。每個實驗廳內(nèi)有一個較簡單的循環(huán)凈化裝置，約30天循環(huán)一個體積，水池壁為水泥墻噴涂多層PermaFlex涂料，保證水的透明度。在Tyvek膜基礎(chǔ)上自行研制的復合膜在水中的反射效率大于98%，好于其他實驗報道的結(jié)果。水池上方有黑色密封罩，通過拉鏈實現(xiàn)方便可靠的光密封和氣密封。密封罩內(nèi)通有流動氮氣，以防止細菌污染水質(zhì)。水的各項物理化學性能都有長期監(jiān)測，所有固體溶解物小于4×10-6，水池的水溫變化控制在正負10℃之內(nèi)。外水池的獨立探測效率為97%，未被探測到的主要是掛角的和衰變的繆子。對中心探測器標記的宇宙線繆子，內(nèi)水池的探測效率超過了99.8%，遠高于實驗設(shè)計的95%，也好于所有其他實驗的報道。

水池上方覆蓋有另一層獨立的宇宙線探測器——阻性板探測器（RPC）。阻性板探測器由兩層阻性板和兩塊板之間的2 cm厚氣隙層組成。阻性板之間的高壓在RPC的氣隙層中產(chǎn)生很強的電場。當帶電粒子穿過RPC的氣隙層時，依據(jù)電場的強度，氣體中產(chǎn)生雪崩放大過程或者流光放大過程。RPC的輸出電信號通過放置在阻性板電極外部的讀出條引出。大亞灣的RPC采用了由中國科學院高能物理研究所（簡稱高能所）開發(fā)的新型酚醛樹脂層壓板，工作在流光模式，高壓約為7400 V。每個實驗廳的水池頂部裝有4層RPC構(gòu)成的探測器模塊，每塊面積2.2 m×2.2 m。兩個近點實驗廳各裝有6×9個模塊，遠點實驗廳裝有9×9個模塊。每個模塊采用三重符合的觸發(fā)模式來標記宇宙線繆子，降低偶然符合的噪聲。南方地下洞室的潮濕環(huán)境對RPC的運行帶來很大影響，后來通過持續(xù)通干燥空氣的辦法解決了這一問題。RPC模塊的探測效率穩(wěn)定在90%～95%，對探測宇宙線的徑跡和研究快中子本底起到了重要作用。

大亞灣實驗電子學系統(tǒng)包括電子學、觸發(fā)、探測器監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取幾個子系統(tǒng)。電子學系統(tǒng)對各個探測器的信號實現(xiàn)讀出并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，共8000多道。探測器監(jiān)控系統(tǒng)對探測器狀態(tài)、性能和實驗環(huán)境進行監(jiān)控，并存入數(shù)據(jù)庫。觸發(fā)系統(tǒng)對3個實驗廳的3種共17個探測器進行獨立的信號判選，排除噪聲信號，通知數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)對電子學信號進行讀出。觸發(fā)的信號被數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)組裝成事例，存入現(xiàn)場計算機系統(tǒng)，然后通過155 Mbps的專用網(wǎng)絡(luò)傳輸至高能所和美國伯克利國家實驗室的數(shù)據(jù)中心。高能所的大亞灣離線計算機集群包括440 CPU核和750 TB磁盤。

自2011年以來，大亞灣實驗裝置一直平穩(wěn)高效運行，物理取數(shù)效率達到94%以上。

3.4 科學成果及展望

測量θ13意義重大，除了3個反應堆實驗外，還有兩個加速器實驗：日本T2K和美國MINOS正在進行。2011年6月，日本的加速器實驗T2K發(fā)表結(jié)果，觀測到了6個電子中微子事例，預期本底為1.5個，θ13不為零的置信度為2.5倍標準偏差[14]。粒子物理中一般3倍標準偏差以下的結(jié)果稱為“跡象”，3倍以上稱為“證據(jù)”，5倍以上可確定為“發(fā)現(xiàn)”，由于日本大地震震壞了他們的加速器，短期內(nèi)無法得到更確定的結(jié)果，緊接著Double Chooz和MINOS也給出了1.7倍標準偏差的結(jié)果。

為了加快實驗進度，贏得國際競爭，大亞灣實驗的第一階段并沒有安裝完成全部的8個中微子探測器，而只裝了6個，嶺澳近點和遠點各少裝了一個。由于大亞灣實驗設(shè)計精度很高，如果θ13較大的話，不需要全部探測器也能測得很準。大亞灣實驗的近點實驗廳EH1于2011年8月15日開始運行。通過AD 1和AD2的實驗數(shù)據(jù)，進行了大量的本底和誤差的研究，基本上確定了分析方法[12]。EH2于11月5日開始運行，EH3于12月24日開始運行，開始3個點同時測量，獲取有意義的物理數(shù)據(jù)。

大亞灣近點EH1每個中微子探測器每天測得約700個中微子，EH2約600個，EH3每個探測器約70個。3個點每天獲取的數(shù)據(jù)量約為200 GB。其中中微子事例只占極少的部分，大部分是天然放射性和宇宙線帶來的本底。例如，對近點的一個探測器，宇宙線事例是21 Hz，天然放射性是280 Hz，而中微子事例只有0.01 Hz。為了將這些中微子事例挑出來，首先要做宇宙線反符合，就是由宇宙線探測器標記的每個宇宙線事例后面200 μs甚至1 s的時間內(nèi)，中微子探測器測到的事例都去除，這樣可以把宇宙線帶來的本底基本上去除干凈.然后需要做一個快慢符合測量，要求一個信號后面600 μs內(nèi)必須有一個6～12 MeV的慢信號成對出現(xiàn)。加上其他一些輔助的挑選條件，就可以干凈地挑出中微子事例，本底只占百分之幾。中微子事例的挑選效率為64%（近點）到76%（遠點），丟失的事例主要是因為中子在氫上俘獲、宇宙線反符合、以及中子能量判選.挑選效率的相對誤差（即不同探測器的差別）僅為0.2%。由于大亞灣實驗多模塊的特殊設(shè)計，通過同一站點的AD 1與AD 2的比較，不僅可以可靠地估計探測器系統(tǒng)誤差，而且可以通過兩個AD探測到的中微子事例率進行直接檢驗，很大程度上提高了實驗的可靠性。在本底中，大部分是可以精確確定數(shù)量的偶然符合本底，經(jīng)過仔細研究，不確定性較大的其他本底共有4種，為宇宙線產(chǎn)生的長壽命同位素8He/9Li、宇宙線產(chǎn)生的快中子本底、自動刻度裝置中的中子源產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)本底、α-n反應產(chǎn)生的快中子本底，總共只占信號的0.5%左右。

2012年3月8日，大亞灣實驗發(fā)表結(jié)果，以5.2倍標準偏差發(fā)現(xiàn)了θ13不為零，而且出人意料地大。分析了55天的數(shù)據(jù)后，遠點的3個探測器共觀測到約1萬個中微子。通過遠近點比較，我們發(fā)現(xiàn)遠點的中微子數(shù)丟失了6%，統(tǒng)計誤差為1.1%，系統(tǒng)誤差僅為0.4%。這個比值換算成混合角，通過更精確的了分析，得到sin22θ13=0.092士0.017[1]。

圖4顯示了3個實驗廳內(nèi)的6個中微子探測器測量到的中微子數(shù)與預期中微子數(shù)的比值。橫坐標是中微子的飛行距離?？v坐標為1的虛線表示沒有振蕩。曲線為中微子的振蕩曲線的最佳擬合值.在近點實驗廳EH1和EH2，振蕩很?。ㄟ@里的振蕩主要來自較遠的反應堆，比如從嶺澳反應堆到大亞灣近點EH1的兩個探測器距離超過1 km，己經(jīng)有了一些振蕩效應），在遠點實驗廳的3個探測器可以看到明顯的振蕩效應。小圖中的χ2分析表明θ13不為零的置信度為5.2倍標準偏差。

大亞灣發(fā)現(xiàn)出人意料大的中微子振蕩，對國際中微子研究產(chǎn)生了巨大的影響。大的θ13意味著中微子質(zhì)量順序、CP破壞相角的效應比較容易觀測到，現(xiàn)有實驗技術(shù)就可以進行測量。我們可以重新思考中微子研究的路線圖，在未來的幾年或十幾年中，中微子振蕩研究將會取得豐碩的成果。

2012年底大亞灣實驗用2.5倍的統(tǒng)計量更新了θ13測量結(jié)果，使θ13不為零的置信度達到7.7倍標準偏差[15]。2013年采用能譜分析和更大的統(tǒng)計量，置信度超過10倍標準偏差，而且首次測量了相關(guān)的質(zhì)量平方差[16]。

大亞灣實驗將至少運行到2017年，對sin22θ13的測量精度將達到3%～4%。在未來的幾十年內(nèi)，這將是對這一基本參數(shù)最精確的測量。對的測量精度也將達到3%～4%，超過目前加速器實驗對的測量。

大亞灣實驗將對反應堆中微子能譜進行測量。最近，改進后的理論模型預言的事例率與測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一定偏差，稱為“反應堆中微子反?！盵17]，被當成支持惰性中微子存在的一個依據(jù)?，F(xiàn)有反應堆中微子能譜是根據(jù)測量的β譜數(shù)據(jù)，假定30條虛擬的β衰變譜反解得到，因此存在較大的模型依賴。模型預言的事例率的誤差被估計為2%～3%，但模型的反解過程只采用了虛擬的允許躍遷譜形，未考慮禁戒躍遷，有人認為該誤差被嚴重低估。最近己發(fā)現(xiàn)測得的能譜相對于理論模型在4～5 MeV處有一個“鼓包”，超過預期值10%以上，遠大于2%～3%誤差。很可能這預示著禁戒躍遷有較大貢獻，原來能譜模型誤差很大。大亞灣實驗兩個近點將積累世界上最大的中微子樣本，可以實現(xiàn)對中微子譜的精確測量，預期可以將它的誤差確定到1%左右，好于現(xiàn)有理論模型，對未來的反應堆中微子實驗（如江門中微子實驗）和反應堆增殖監(jiān)測等具有重要意義。

4 江門中微子實驗

4.1 物理目標

測量質(zhì)量順序在大亞灣測得θ13后成為中微子研究的下一個熱點。利用反應堆中微子振蕩中的干涉效應可以測量質(zhì)量順序，其最佳基線（即反應堆到探測器的距離）約為60 km，需要很大的探測器和極佳的能量分辨率，從精確的能譜測量中確定這種干涉效應。2008年高能所就提出了進行該實驗的設(shè)想，稱為大亞灣二期實驗。發(fā)現(xiàn)θ13很大后，實驗難度大大降低，這項工作得以迅速提上日程。該實驗要求探測器到各個反應堆的距離相等，否則干涉效應將相互抵消。由于大亞灣附近規(guī)劃的反應堆布局不利于測量，2012年確定在廣東省江門的開平市建立實驗站，位于距陽江核電站和臺山核電站53 km處。實驗將建設(shè)一個有效質(zhì)量為2萬噸的液體閃爍體探測器，位于地下700 m，能量精度為3%。預期6年數(shù)據(jù)可以通過干涉效應將質(zhì)量順序確定到3倍標準偏差的置信水平。如果考慮到加速器中微子實驗對的測量精度屆時可以達到1%左右，通過絕對測量可以提高置信度至4倍標準偏差[18]。

江門中微子實驗可以通過研究反應堆中微子振蕩，同時精確測量sin22θ12和2個質(zhì)量平方差參數(shù)到好于1%的精度。如前所述，精確測量混合參數(shù)將使檢驗混合矩陣的么正性成為可能。假如存在重的馬約拉納中微子，幺正性的破缺有可能在1%的尺度上顯現(xiàn)出來。

超新星對宇宙學和天體演化具有極為重要的意義。超新星爆發(fā)時，99%的能量被中微子帶走，而且只有中微子才能從超新星內(nèi)部逃逸出來。到目前為止，人們總共探測到20多個超新星中微子事例，來自1987A的爆發(fā)。對一個類似的超新星，江門中微子探測器將可以探測到5000個中微子。計劃中的日本Hyper-K可以探測到更多的中微子，但江門實驗采用液體閃爍體，可以通過碳核的非彈性過程確定中微子的味，這對判別目前幾種主流的超新星理論模型至關(guān)重要。也可以利用超新星中微子進行絕對質(zhì)量測量、混合參數(shù)測量等研究。

地球中含有鈾238和釷232，它們產(chǎn)生的地熱可能是驅(qū)動地球演化的主要因素。它們衰變產(chǎn)生的中微子稱為地球中微子。不同的地球演化模型預言了不同的鈾釷含量，通過探測地球中微子，可以獲得其他手段無法達到的地球深處的信息。日本KamLAND實驗首次探測到了地球中微子[19]，最新結(jié)果確定其事例率為（30.3±7.1） TNU（TNU為地球中微子單位，相當于1千噸探測器每年測到1個地球中微子），意大利BOREXINO也進行了測量，為（38.8±12.2） TNU，但它們事例數(shù)太少，精度不高。江門中微子探測器比它們大20～40倍，能夠更準確地探測地球中微子，有可能達到判別地球演化模型所需的3 TNU的精度。

高統(tǒng)計量、低能量的太陽中微子將能用來研究標準太陽模型中的金屬性疑難、測量太陽中微子隨能量從物質(zhì)效應振蕩到真空振蕩的變遷、研究對新物理敏感的pep太陽中微子等。通過采用強放射源置于探測器內(nèi)部，如果存在惰性中微子，江門中微子探測器可以觀測到完整的振蕩圖象，從而干凈地確認或排除輕的惰性中微子。對大氣中微子的探測對質(zhì)量順序和θ23的八重度有一定的測量能力。此外，還將進行暗物質(zhì)、質(zhì)子衰變等一系列新物理尋找。

總之，江門中微子實驗高性能、大質(zhì)量的探測器將具有非常豐富的物理目標，對當前中微子的多個未知問題進行國際領(lǐng)先水平的研究。

4.2 國際態(tài)勢

測量質(zhì)量順序是江門實驗的主要物理目標。這是當前中微子振蕩研究的前沿熱點，國際競爭非常激烈.我們曾經(jīng)認為θ13很小，質(zhì)量順序、CP破壞相角等未知參數(shù)用現(xiàn)有技術(shù)可能難以測量。因此，十幾年前人們就開始研制中微子工廠、貝塔束流等新技術(shù)以應付θ13很小的情況。大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)θ13遠大于預期，因此用現(xiàn)有的技術(shù)就進行質(zhì)量順序和CP破壞的研究。國際上共提出了8個實驗方案以測量質(zhì)量順序，包括中國的JUNO、美國的LBNE、美國在南極洲的PINGU、日本的超超級神岡（Hyper-K）、歐洲的LBNO,韓國的RENO-50、印度的INO、以及即將建成的美國NOvA。其中JUNO，LBNE，PINGU，Hyper-K的競爭力較強。

LBNE將在南達科它州的Homestake建立1萬噸的液氫探測器，探測1300 km外費米實驗室產(chǎn)生的加速器中微子束流，通過中微子穿過地球時的物質(zhì)效應來確定質(zhì)量順序，預期2022年建成，但進度與方案有較大不確定性。長基線加速器中微子實驗對質(zhì)量順序的靈敏度嚴重依賴于CP破壞的大小。對CP破壞較大的一半?yún)?shù)空間，LBNE在10年內(nèi)可將質(zhì)量順序確定到5倍標準偏差。對另一半?yún)?shù)空間則為2～5倍標準偏差。同樣利用費米實驗室的加速器產(chǎn)生中微子的還有即將建成的NOvA實驗，它在730 km外的明尼蘇達州建立5萬噸的塑料閃爍體探測器，有1/4的幾率（參數(shù)空間）將質(zhì)量順序測量到3倍標準偏差。

大氣中微子也可以用來確定質(zhì)量順序。南極州的“冰立方”實驗可以探測到大氣中微子，體積為1 km3，即10億t，但能量閡值太高，不能探測對質(zhì)量順序最靈敏的7 GeV左右的繆中微子。因此，美國計劃在“冰立方”的中心重新建一個光電倍增管更密集，能探測到更多光子，因而能量閡值更低的實驗，叫PINGU，其有效質(zhì)量（100～1000）萬t。3年的數(shù)據(jù)量可以測量質(zhì)量順序到3倍標準偏差以上。這些實驗的主要難點在于能否精確地將光電倍增管部署到冰下的預期位置，以及能否精確理解光子在冰層中的傳播過程。PINGU實驗尚未批準。如果這些問題能解決，有可能成為測量質(zhì)量順序最快的實驗。

繼超級神岡之后，日本計劃在原址旁新建超超級神岡（Hyper-K），質(zhì)量從5萬t提升到100萬t。Hyper-K將探測來自295 km外日本散射中微子源（J-Parc）的中微子束流，主要目標是測量CP破壞。由于295 km的距離較短，地球物質(zhì)效應不夠顯著，運行6～10年后也只對不到1/4的參數(shù)空間能將質(zhì)量順序測量到3倍標準偏差以上。Hyper-K也能探測大氣中微子和超新星中微子。利用大氣中微子對質(zhì)量順序的靈敏度更好，6～10年的數(shù)據(jù)，對大部分參數(shù)空間都能測量到3倍標準偏差以上。

在這些實驗中，JUNO，LBNE，NOvA，INO己獲批準，PINGU，Hyper-K有較大的可能被批準。這些實驗涵蓋了反應堆中微子、加速器中微子和大氣中微子三種源，采用了不同的探測器技術(shù)。加速器實驗用繆中微子束流，探測電子中微子的出現(xiàn)幾率，靈敏度依賴于CP破壞相角。大氣中微子探測繆中微子的消失幾率，靈敏度依賴于θ23的八重度。反應堆中微子實驗則與CP破壞相角和θ23的八重度無關(guān)，但對能量精度要求很高。預期到2025年左右，我們能夠通過不同的手段基本上確定中微子的質(zhì)量順序。

江門中微子實驗自2008提出設(shè)想，2013年得以正式立項，預期2020年建成運行，6年后可將質(zhì)量順序確定到3～4倍標準偏差。除了質(zhì)量順序外，江門實驗在精確測量混合參數(shù)、研究地球中微子上具有獨一無二的優(yōu)勢，在超新星中微子、太陽中微子和惰性中微子上也具有自己的特點和優(yōu)勢。

4.3 實驗設(shè)計及進展

江門中微子實驗站位于廣東省江門市開平市，距廣東陽江和臺山反應堆群約5.3 km。陽江核電站共規(guī)劃6個反應堆，1個己投入商業(yè)運行，5個在建，總熱功率為17.4 GW。臺山核電站共規(guī)劃4個反應堆，2個在建，總熱功率18.4 GW。由于中微子與物質(zhì)的相互作用截面非常小，難于探測。探測到的中微子數(shù)正比于反應堆的總熱功率和探測器的有效質(zhì)量。陽江與臺山核電站有效的反臺山核電站有效的反應堆群功率世界第一，江門中微子實驗的2萬噸探測器每天也只能探測到約60個反應堆中微子。

由于中微子事例稀少，相對而言，宇宙線本底的影響將非常嚴重。因此必須將探測器置于比較深的地下，通過頂上的巖石覆蓋阻擋宇宙線。江門中微子實驗的探測器設(shè)計為位于地下700 m。通過初步的模擬計算，宇宙線流強為0.003 Hz/m2，比地表降低了5萬倍。初步的分析表明可以將本底控制在合理的范圍內(nèi)，對實驗靈敏度影響較小。實驗站選址處的山高約300 m，進入隧道初步設(shè)計方案為豎井加斜井方案。

江門中微子實驗站與上述各核電站的地理位置如圖5示。中微子事例數(shù)反比于探測器與反應堆距離的平方，大亞灣核電站及可能的陸豐或惠州核電站距江門中微子實驗站距離為200多公里，因此探測器中來自這兩個反應堆群的中微子只占百分之幾，對實驗的干擾很小。

江門中微子實驗站的探測器有效質(zhì)量為2萬t液體閃爍體。其設(shè)計原理與核心技術(shù)與大亞灣中微子實驗類似，但技術(shù)要求和難度要大得多。探測器的初步設(shè)計方案如圖6所示。球形的中微子探測器中心為2萬t液體閃爍體，由直徑為35.4 m的有機玻璃容器隔開。由于探測器巨大，液體閃爍體的透明度是關(guān)鍵的因素，因此計劃采用不摻雜的普通液體閃爍體，配方同大亞灣實驗。外層為白油屏蔽層，厚1.5 m，盛于直徑為39 m的不銹鋼罐內(nèi)。15000個50 cm直徑的光電倍增管安裝在白油屏蔽層內(nèi)。由于機械難度大，現(xiàn)在有幾種不同的探測器設(shè)計方案在考慮中。中微子探測器置于水池中心，上下與四周均被2 m以上的水包圍以屏蔽本底。在水池頂部采用徑跡探測器作為反符合探測器；水池的內(nèi)壁上安放光電倍增管以探測宇宙線。

江門中微子實驗己完成地質(zhì)詳勘和地下實驗室方案設(shè)計，各項研發(fā)正在進行中。

5 其他中微子實驗研究

5.1 無中微子雙貝塔衰變

無中微子雙貝塔實驗是一類極為重要的中微子實驗。如果發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，則說明中微子與其他費米子都不同，是馬約拉納粒子?，F(xiàn)在有十多個實驗，利用不同的探測技術(shù)和不同的同位素進行研究，例如Gerda，CUORE，NEMO等等。這類實驗對技術(shù)的要求非常高，需要長期積累，國內(nèi)沒有相關(guān)研究，因此我們通過國際合作參加了美國EXO實驗。EXO是其中競爭力最強的實驗之一它利用液氙（136Xe）同時作為雙貝塔衰變核素和探測介質(zhì)，在極低本底、實驗規(guī)模化上有較大優(yōu)勢。目前EXO實驗采用200 kg液氙，計劃升級為nEXO，靶質(zhì)量為5 t，并繼續(xù)提高探測器性能.特別是有可能實現(xiàn)獨有的Ba離子標記技術(shù)，原則上可排除所有其他核素產(chǎn)生本底。

5.2 加速器中微子前期研究

中微子的CP破壞與宇宙中正反物質(zhì)不對稱直接相關(guān)。測量CP破壞最直接的方法是比較正、反中微子振蕩的差別。只有加速器中微子實驗比較容易做到這一點。通過改變質(zhì)子打靶后的聚焦磁場方向，可以選擇性地聚焦正粒子還是反粒子，從而產(chǎn)生正中微子或反中微子束流。從探測器測得它們振蕩幾率的差別，就可以測得CP破壞相角。LBNE和Hyper-K實驗可以測量CP破壞。如果CP破壞相角為0度或180度，則CP破壞效應為零，90度和270度處最大。到2032年，通過10年的測量，例如3年正中微子，7年反中微子，LBNE對1/4的參數(shù)空間可測量CP破壞到3倍標準偏差以上，而Hyper-K則有3/4的參數(shù)空間。

如果LBNE與Hyper-K未能測到CP破壞，將來需要更強大的“中微子工廠”來進行研究，而中微子工廠所需要的繆子冷卻、再加速技術(shù)非常困難。最近我們提出了一種嶄新的加速器中微子產(chǎn)生方法，初步設(shè)計了一個中微子束流線MOMENT[20]。該方法介于傳統(tǒng)束流與中微子工廠之間，采用質(zhì)子打靶產(chǎn)生π介子，通過超導磁鐵收集幾乎全部的π介子，將衰變產(chǎn)生的繆子輸運至衰變管道中，繆子在超導螺旋管中衰變同時產(chǎn)生兩種中微子。該方案回避了中微子工廠中難以實現(xiàn)的繆子冷卻技術(shù)，又克服了常規(guī)束流中K介子衰變帶來的束流本底，采用較低能量的中微子也可避免探測器中的π0本底，因此有可能有獨到的優(yōu)勢。目前正在進行優(yōu)化研究，有可能替代中微子工廠。

·高被引論文摘要·

被引頻次：29

大亞灣反應堆中微子實驗

王貽芳

中微子振蕩是目前唯一超出粒子物理標準模型的新現(xiàn)象，它證明了中微子質(zhì)量不為零，對粒子物理、天體物理與宇宙學均有非常重要的意義。在描述中微子振蕩的6個參數(shù)中，目前仍有兩個未知：交叉混合角θ13與CP相角δ。作者建議在大亞灣反應堆附近建設(shè)一個中微子實驗站，測量混合角sin22θ13在90%的置信度下達到0.01的精度，較過去的實驗提高近一個數(shù)量級。這將對中微子物理的未來發(fā)展提供方向性指導，特別是對理解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”具有重要意義。

中微子；探測器；振蕩；混合；反物質(zhì)

來源出版物：物理, 2007, 36(3): 207-214

被引頻次：16

硅光電二極管與電荷靈敏前置放大器在中微子實驗中的設(shè)計應用研究

張志勇，劉正山，程昶，等

摘要：在臺灣中微子實驗項目先期研究中，用硅光電二極管測讀中微子作用于CsI（Tl）晶體的光譜信號。介紹了結(jié)合硅光電二極管設(shè)計制作低噪聲高分辨率電荷靈敏前置放大器的實驗研究及其結(jié)果的能譜響應特性。

關(guān)鍵詞：CsI（Tl）晶體；硅光電二極管；電荷靈敏前置放大器

來源出版物：核電子學與探測技術(shù), 2002, 22(2): 136-165

被引頻次：11

液體閃爍體衰減長度和光產(chǎn)額的測量

劉金昌，李祖豪，楊長根，等

摘要：簡要介紹了用于反應堆中微子實驗的液體閃爍體的成分，描述了液閃衰減長度和光產(chǎn)額的測量原理、方法、裝置及過程，給出了不同配比的液閃的光產(chǎn)額和衰減長度的測量結(jié)果，并對液閃光產(chǎn)額和衰減長度的性能及影響因素進行了研究。測量結(jié)果表明，這些液閃可以滿足中微子實驗的需求。

關(guān)鍵詞：液體閃爍體；光產(chǎn)額；衰減長度

來源出版物：高能物理與核物理, 2007, 31(1): 76-79

被引頻次：11

中微子振蕩實驗——超出標準模型的實驗檢驗（Ⅰ）

何景棠

摘要：文章總結(jié)了中微子振蕩實驗的歷史和現(xiàn)狀。介紹了幾個太陽中微子丟失實驗的結(jié)果和幾個大氣μ中微子丟失實驗結(jié)果。這些結(jié)果表明存在中微子振蕩，即中微子具有質(zhì)量。它是超出標準模型的信號。文章還介紹了21世紀初研究中微子振蕩的若干重要實驗，例如長基線中微子振蕩實驗以及建造μ子貯存環(huán)來產(chǎn)生高能電子中微子束進行中微子振蕩的實驗以及測量中微子振蕩時的CP破壞的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：中微子丟失；中微子振蕩；標準模型

來源出版物：物理, 2001, 30(2): 74-80

被引頻次：7

變加速直線運動黑洞中Weyl中微子的Hawking輻射

吳雙清，曾瑜，蔡勖

摘要：利用推廣的烏龜坐標變換法研究了作變加速直線運動的Kinnersley黑洞中Weyl中微子的量子熱效應，導出了局部的事件視界面方程和Hawking溫度以及中微子的熱輻射譜。結(jié)果表明視界的位置和溫度不僅隨時間變化，而且明顯依賴于方位角。

關(guān)鍵詞：Hawking輻射；Weyl中微子；動態(tài)Kinnersley黑洞；廣義烏龜坐標變換

來源出版物：物理學報, 2003, 52(6): 1340-1345

被引頻次：6

中微子質(zhì)量和中微子振蕩實驗

何景棠

摘要：本文介紹中微子質(zhì)量測量的歷史和現(xiàn)狀。介紹太陽中微子丟失實驗的結(jié)果和大氣μ中微子丟失實驗結(jié)果。這些結(jié)果表明存在中微子振蕩，即中微子具有質(zhì)量。它是超出標準模型的信號。本文還介紹了21世紀初研究中微子振蕩的若干重要實驗，例如長基線中微子振蕩實驗以及建造μ子貯存環(huán)來產(chǎn)生高能電子中微子束進行中微子振蕩的實驗以及測量中微子振蕩時的CP破壞的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：中微子丟失；中微子振蕩；標準模型

來源出版物：物理學進展, 2001, 21(2): 216-224

被引頻次：6

中微子質(zhì)量，宇稱不守恒，中微子振蕩及其他

倪光炯

摘要：中微子有靜止質(zhì)量是與宇稱不守恒的實驗事實相矛盾的。而假如它是超光速粒子而有非零的固有質(zhì)量（如近年來實驗數(shù)據(jù)所顯示的那樣），才能與宇稱不守恒相容。文章從這個新觀點討論了有關(guān)中微子五個方面的研究課題。

關(guān)鍵詞：中微子；質(zhì)量；宇稱；超光速粒子；快子

來源出版物：物理, 2002, 31(4): 255-257

被引頻次：6

天體粒子物理——天文學與粒子物理學的交叉

顧以藩

摘要：天體粒子物理是一個正在迅速成長中的交叉領(lǐng)域。文章介紹了這個學科的若干近期進展。限于篇幅，選擇討論的內(nèi)容涉及暗物質(zhì)與殘骸粒子、中微子天文學、γ射線天文學、宇宙線、宇宙微波背景與暴脹、早期宇宙等。

關(guān)鍵詞：天體粒子物理；暗物質(zhì)；中微子；γ射線；宇宙線；宇宙微波背景

來源出版物：物理, 2002, 31(6): 377-384

被引頻次：4

大亞灣與江門中微子實驗

曹俊

摘要：中微子物理是粒子物理中最活躍的分支之一，存在眾多未解之謎，可能成為超出標準模型的新物理的突破口。本文總結(jié)了中微子物理的現(xiàn)狀和主要的科學問題，著重介紹了我國正在進行的大亞灣中微子實驗和建造中的江門中微子實驗。通過研究反應堆中微子，2012年大亞灣實驗發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩，測得了中微子混合角θ13。本文介紹了大亞灣實驗的物理背景和項目背景，簡述了實驗方法和設(shè)計思想，并描述了探測器設(shè)計和建造。許多新的想法和技術(shù)創(chuàng)新在探測器設(shè)計與建造中采用，使探測器相關(guān)的相對誤差僅為0.2%。在未來幾十年內(nèi)，大亞灣將保持對這一基本參數(shù)的最高測量精度。江門中微子實驗2008年提出建議，2013年正式啟動。通過在53 km處探測反應堆中微子振蕩，它將能確定中微子質(zhì)量順序，并精確測量3個中微子混合參數(shù)。采用一個設(shè)計能量精度為3%的2×104t液體閃爍體探測器，江門實驗在研究超新星中微子、太陽中微子、地球中微子、大氣中微子、以及奇異現(xiàn)象尋找方面也極具吸引力。它將對多個物理目標進行國際領(lǐng)先水平的研究。文中我們介紹了實驗設(shè)計和研發(fā)的進展。除了大亞灣和江門實驗，我們也參與了無中微子雙貝塔衰變實驗EXO，設(shè)計了一個新式的加速器中微子束流線，進一步擴展了中微子研究。

關(guān)鍵詞：中微子；中微子振蕩；中微子混合；反應堆；大亞灣

來源出版物：中國科學: 物理學 力學 天文學, 2014, 44(10): 1025-1040

被引頻次：3106

Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos

Fukuda, Y; Hayakawa, T; Ichihara, E; et al.

Abstract:參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：2789

Neutrino oscillations in matter

L. Wolfenstein

Abstract:參見本期“經(jīng)典文獻推薦”欄目.

被引頻次：1588

First results from KamLAND: Evidence for reactor antineutrino disappearance

Eguchi, K; Enomoto, S; Furuno, K; et al.

Abstract:KamLAND has measured the flux of (nu) over bar (e)’s from distant nuclear reactors. We find fewer (nu) over bar (e) events than expected from standard assumptions about (nu) over bar (e) propagation at the 99.95% C.L. In a 162 ton.yr exposure the ratio of the observed inverse beta-decay events to the expected number without (nu) over bar (e) disappearance is 0.611+/-0.085(stat)+/-0.041(syst) for (nu) over bar (e) energies ＞3.4 MeV. In the context of two-flavor neutrino oscillations with CPT invariance, all solutions to the solar neutrino problem except for the “l(fā)arge mixing angle” region are excluded.

Keywords:neutron fission-products; spectrum

來源出版物：Physical Review Letters, 2003, 90(2): 020802

被引頻次：1401

Resonance enhancement of oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy

Mikheev, SP; Smirnov, AY

Abstract:In this paper, we study aphoton, a massive charged particle, and a massive neutrino passing through matter. The hypothetical left-right symmetric weak interaction, which is used in Wolfenstein’s equation can generate the resonance enhancement of neutrino oscillations in matter, which disappears when neutrinos go out into vacuum from matter(the Sun). It is shown that since standard weak interactions cannot generate masses, the laws of conservation of the energy and the momentum of neutrino in matter will be fulfilled only if the energyWof polarization of matter by the neutrino or the corresponding term in Wolfenstein’s equation, is zero. This result implies that neutrinos cannot generate permanent polarization of matter. This leads to the conclusion: resonance enhancement of neutrino oscillations in matter does not exist. It is also shown that in standard weak interactions the Cherenkov radiation cannot exist.

來源出版物：Soviet Journal of Nuclear Physics-Ussr, 1985, 42(6): 913-917

被引頻次：1192

Resonant amplification of ν oscillations in matter and solar-neutrino spectroscopy

Mikheyev, SP; Smirnov, AY

Abstract:For small mixing angles θ the amplification of ν oscillations in matter has the resonance form (resonance in neutrino energy or matter density). In the Sun resonance effect results in nontrivial changing (suppression) of ν-flux for a wide range of neutrino parameters Δm2=(3·10?4÷10?8) (eV)2, sin22θ＞10?4.

來源出版物：Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C-Geophysics and Space Physics, 1986, 9(1):17-26

被引頻次：910

Tri-bimaximal mixing and the neutrino oscillation data

Harrison, PF; Perkins, DH; Scott, WG

Abstract:Following recent results from the SNO solar neutrino experiment and the K2K long-baseline neutrino experiment, the combined existing data on neutrino oscillations now point strongly to a specific form for the lepton mixing matrix, with effective bimaximal mixing of upsilon(mu) and upsilon(tau) at the atmospheric scale and effective trimaximal mixing for upsilon(e) with upsilon(mu) and upsilon(tau) at the solar scale (hence ‘tri-bimaximal’ mixing). We give simple mass-matrices leading to tri-bimaximal mixing, and discuss its relation to the Fritzsch-Xing democratic ansatz.

Keywords:quark mass matrices; permutation symmetry; cp violation; (nu)over-bar(mu)-＞(nu)over-bar(e) oscillations; LSND experiment; matter; model; flux

來源出版物：Physics Letters B, 2002, 530(1-4): 167-173

被引頻次：838

Solar B-8 and hep neutrino measurements from 1258 days of Super-Kamiokande data

Fukuda, S; Fukuda, Y; Ishitsuka, M

Abstract:Solar neutrino measurements from 1258 days of data from the Super-Kamiokande detector are presented. The measurements are based on recoil electrons in the energy range 5.0-20.0 MeV. The measured solar neutrino flux is 2.32+/-0.03(stat)(+0.08)(-0.07) (syst)× 10(6) cm(-2) s(-1) which is 45.1 +/- 0.5 (stat)(+1.6)(-1.4)(syst)% of that predicted by the BP2000 SSM. The day vs nieht flux asymmetry (Phi (n)-Phi (d))/Phi (average) is 0.033+/-0.022(stat)(+0.013)(-0.012)(syst). The recoil electron energy spectrum is consistent with no spectral distortion. For the hep neutrino flux, we set a 90% C.L. upper limit of 40×103cm-2/s which is 4.3 times the BP2000 SSM prediction.

Keywords:decay; oscillations; spectrum; flux; beta

來源出版物：Physical Review Letters, 2001, 86(25): 5651-5655

被引頻次：823

Measurement of day and night neutrino energy spectra at SNO and constraints on

neutrino mixing parameters

Ahmad, QR; Allen, RC; Andersen, TC; et al.

Abstract:The Sudbury Neutrino Observatory (SNO) has measured day and night solar neutrino energy spectra and rates. For charged current events, assuming an undistorted B-8 spectrum, the night minus day rate is 14.0%+/-6.3%(+1.5)(-1.4) % of the average rate. If the total flux of active neutrinos is additionally constrained to have no asymmetry, the nu(e) asymmetry is found to be 7.0%+/-4.9%(+1.3)(-1.2)%. A global solar neutrino analysis in terms of matter-enhanced oscillations of two active flavors strongly favors the large mixing angle solution.

Keywords:oscillations; predictions; detector; matter; B-8

來源出版物：Physical Review Letters, 2002, 89(1): 011302

被引頻次：821

Observation of electron-antineutrino disappearance at daya bay

F. P. An; J. Z. Bai; A. B. Balantekin; et al.

Abstract:The Daya Bay Reactor Neutrino Experiment has measured a nonzero value for the neutrino mixing angle 0(13) with a significance of 5.2 standard deviations. Antineutrinos from six 2.9 GW(th) reactors were detected in six antineutrino detectors deployed in two near (flux-weighted baseline 470 m and 576 m) and one far (1648 m) underground experimental halls. With a 43 000 ton-GW(th)-day live-time exposure in 55 days, 10416 (80376) electron-antineutrino candidates were detected at the far hall (near halls). The ratio of the observed to expected number of antineutrinos at the far hall is R=0.940+/-0.011(stat.)+/-0.004(syst.). A rate-only analysis finds sin(2)2 theta(13) = 0.092+/-0.016(stat.) +/-0.005(syst.) in a three-neutrino framework.

Keywords:loaded liquid scintillator; neutron fission-products; reactor; spectra; oscillations; theta(13); PU-239

來源出版物：Physical Review Letters, 2012, 108(17): 171803

被引頻次：816

Evidence for neutrino oscillations from the observation of (nu)over-bar(c) appearance in a (nu)over-bar(mu) beam

Aguilar, A; Auerbach, LB; Burman, RL; et al.

Abstract:A search for＜ (＜nu＞) over bar＞ (mu)-＞＜(＜nu＞)over bar＞(e) oscillations was conducted by the Liquid Scintillator Neutrino Detector at the Los Alamos Neutron Science Center using ＜(＜nu＞) over bar＞(mu) from mu (+) decay at rest. A total excess of 87.9+/-22.4+/-6.0 events consistent with ＜ (＜nu＞) over bar＞ (e)p-＞e(+) n scattering was observed above the expected background. This excess corresponds to an oscillation probability of (0.264+/-0.067+/-0.045) %, which is consistent with an earlier analysis. In conjunction with other known limits on neutrino oscillations, the LSND data suggest that neutrino oscillations occur in the 0.2-10 eV2/c4Deltam(2) range, indicating a neutrino mass greater than 0.4 eV/c2.

Keywords:random-phase-approximation; (nu)over-bar(mu)-＞(nu)over-bar(e) oscillations; atmospheric neutrinos; sterile neutrinos; LSND experiment; dark-matter; solar; C-12; search; decay

來源出版物：Physical Review D, 2001, 64(11): 112007

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神秘的中微子

王貽芳

摘要：中微子是近年來科學界的熱門話題之一，2001年加拿大薩德伯里中微子天文臺（SNO）的觀測結(jié)果和2002年SNO與日本KamLAND實驗的結(jié)果，均證實中微子可以發(fā)生振蕩，即中微子質(zhì)量不為零。這在科學上具有重要意義，它要求修改粒子物理的標準模型，預示著存在超出標準模型的新物理，如輕子數(shù)不守恒、質(zhì)子衰變等。因此，中微子物理的進展連續(xù)兩年被美國的《科學》周刊等國內(nèi)外媒體評為當年十大科技新聞。2002年由于在“探測宇宙中微子”上的貢獻,美國化學家戴維斯（R.Davis, Jr.)與日本物理學家小柴昌?。∕asatoshi Koshiba)獲得諾貝爾物理學獎。

關(guān)鍵詞：中微子；中微子振蕩；中微子質(zhì)量

來源出版物：科學, 2003, 36(3): 207-214

天山射電實驗探測極高能中微子和宇宙線

張建立，張毅

摘要：宇宙中微子正開啟一個電磁波觀測宇宙之外的全新窗口。然而，傳統(tǒng)的中微子探測手段由于造價過高，導致探測器有效面積不足或觀測時間有限等問題，不便于進行高能中微子（一般認為能量大于1015 eV為超高能，能量大于1018 eV為極高能）的觀測。射電陣列，采用造價低、全天候觀測的射電天線，可以建造大面積的觀測陣列，達到極高能中微子天文學和極高能宇宙線探測所需的高靈敏度。在科技部國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“宇宙第一縷曙光探測”的資助下，原型陣列TREND（天山射電探測中微子探測器）在2011—2012年的運行過程中取得了重要的成果，僅依靠單極化接收天線陣列，首次證明了不依賴于傳統(tǒng)粒子探測器的自觸發(fā)射電探測方式可以對高能粒子大氣簇射進行有效探測。我們計劃建造一個巨型天線陣列GRAND，這將是世界上1017 eV以上最靈敏的高能中微子望遠鏡，可以對高能中微子進行有效的觀測。

關(guān)鍵詞：高能中微子；射電探測；極高能宇宙線

來源出版物：中國科學：物理學 力學 天文學, 2015, 45(11): 119511聯(lián)系郵箱：張毅，zhangyi@ihep.ac.cn

高能中微子天文觀測進展

汪斌，黎卓

摘要：高能宇宙線在宇宙加速器中的產(chǎn)生和在宇宙空間的傳播通常會伴隨高能中微子的產(chǎn)生.高能中微子天文學是了解高能天體物理現(xiàn)象的獨特的窗口。最近，位于南極的立方公里級的中微子探測器IceCube探測到了一批高能（＞Te V)事例，在5.7σ的置信度之上排除了大氣背景的起源。這是人類第一次探測到的來自地外的高能中微子事例，開啟了人類探索宇宙的一個新的窗口，標志著高能中微子天文學的誕生。本文簡要介紹了高能中微子的探測歷史,高能中微子探測器（特別是IceCube）的探測原理及現(xiàn)狀，IceCube中微子探測結(jié)果，中微子起源的理論探討以及高能中微子天文的未來展望。

關(guān)鍵詞：中微子；宇宙線；IceCube

來源出版物：中國科學：物理學 力學 天文學, 2015, 2015, 45(11): 119508聯(lián)系郵箱：黎卓，zhuo.li@pku.edu.cn

大亞灣中微子探測器能量響應非線性的研究

陽馬生，于澤源，Soeren Jetter

摘要：大亞灣反應堆中微子實驗利用大型液體閃爍體探測器探測來自反應堆的中微子。液體閃爍體探測器的能量響應非線性研究是準確重建能量的關(guān)鍵。論文詳細論述了能量非線性的來源及測量方法，包括在探測器中利用不同能量的γ源進行刻度，利用本底事例進行刻度，以及在實驗室開展的針對不同非線性來源的獨立測量，最后通過聯(lián)合擬合的方法給出測量結(jié)果并加以討論。

關(guān)鍵詞：中微子振蕩；大亞灣中微子實驗；能量響應非線性

來源出版物：核電子學與探測技術(shù), 2014, 34(6): 679-683聯(lián)系郵箱：于澤源，yuzy@ihep.ac.cn

大爆炸核合成與宇宙背景中微子

曹云，邢志忠

摘要：文章基于大爆炸宇宙學描述了發(fā)生于宇宙早期的中微子退耦與輕核素合成事件。退耦后的中微子形成宇宙的背景之一。文章介紹了幾種探測宇宙背景中微子的方法，側(cè)重于利用β衰變核俘獲超低動能的中微子。

關(guān)鍵詞：宇宙背景中微子；大爆炸核合成；β衰變

來源出版物：物理, 2013, 42(7): 496-504

大亞灣反應堆中微子實驗的快中子本底研究

李登杰，張一純，張子平

摘要：在大亞灣反應堆中微子實驗反電子中微子信號殘留快中子本底估算的研究中，可以通過對僅經(jīng)過內(nèi)水池探測系統(tǒng)的μ子致散裂快中子的分析，實現(xiàn)對快中子快信號能譜的測定。給出快中子的快信號各類本底信噪比和能譜，進而確定可以用線性外推法對反電子中微子信號中的殘留快中子本底數(shù)目進行估算。

關(guān)鍵詞：中微子振蕩；快中子；本底研究

來源出版物：中國科學技術(shù)大學學報, 2013, 43(9): 709-713聯(lián)系郵箱：張子平，zpz@ustc.edu.cn

Neutrino mass, mixing and oscillations

K. Nakamura; S.T. Petcov

Abstract:The experiments with solar, atmospheric, reactor and accelerator neutrinos have provided compelling evidences for oscillations of neutrinos caused by nonzero neutrino masses and neutrino mixing. The data imply the existence of 3-neutrino mixing in vacuum. We review the theory of neutrino oscillations, the phenomenology of neutrino mixing, the problem of the nature-Dirac or Majorana, of massive neutrinos, the issue of CP violation in the lepton sector, and the current data on the neutrino masses and mixing parameters. The open questions and the main goals of future research in the field of neutrino mixing and oscillations are outlined.

Keywords:neutrino oscillation; neutrino mixing; CP violation

來源出版物：Chinese Physics C, 2014, 09: 235-258

Global analysis of neutrino masses and mixing

G. L. Fogli; E. Lisi; A. Marrone; et al.

Abstract:We review the current status of neutrino mass and mixing parameters, as derived from an up-to-date phenomenological analysis of world neutrino oscillation and non-oscillation data, performed within the standard three-neutrino mixing framework.

Keywords:neutrino masses and mixing; neutrino flavor oscillations; global data analysis

來源出版物：Progress in Particle & Nuclear Physics, 2006, 57(1): 71-78

phenomenology with massive neutrinos

M.C.Gonzalez-Garcia; M. Maltoni

Abstract:The current status and some perspectives of the phenomenology of massive neutrinos is reviewed. We start with the phenomenology of neutrino oscillations in vacuum and in matter. We summarize the results of neutrino experiments using solar, atmospheric, reactor and accelerator neutrino beams. We update the leptonic parameters derived from the three-neutrino oscillation interpretation of this data. We describe the method and present results on our understanding of the solar and atmospheric neutrino fluxes by direct extraction from the corresponding neutrino event rates. We present some tests of different forms of new physics which induce new sources of leptonic flavor transitions in vacuum and in matter which can be performed with the present neutrino data. The aim and potential of future neutrino experiments and facilities to further advance in these fronts is also briefly summarized. Last, the implications of the LSND observations are discussed, and the status of extended models which could accommodate all flavor-mixing signals is presented in the light of the recent results from MiniBooNE.

來源出版物：Physics Reports, 2007, 460(1-3):1-129

Neutrino oscillation studies with reactors

P. Vogel; L. J. Wen; C. Zhang

Abstract:Nuclear reactors are one of the most intense, pure, controllable, cost-e_ective, and well-understood sources of neutrinos. Reactors have played a major role in the study of neutrino oscillations, a phenomenon that indicates that neutrinos have mass and that neutrino avors are quantum mechanical mixtures. Over the past several decades reactors were used in the discovery of neutrinos, were crucial in solving the solar neutrino puzzle, and allowed the determination of the smallest mixing angle theta 13. In the near future, reactors will help to determine the neutrino mass hierarchy and to solve the puzzling issue of sterile neutrinos.

Keywords:physics of elementary particles and fields neutrino; oscillation; nuclear

來源出版物：Nature Communications, 2014, 6(4): 6935

Search for sub-eV sterile neutrinos in the precision multiple baselines reactor antineutrino oscillation experiments

Luo, Shu

Abstract:According to different effects on neutrino oscillations, the unitarity violation in the MNSP matrix can be classified into the direct unitarity violation and the indirect unitarity violation which are induced by the existence of the light and the heavy sterile neutrinos respectively. of which sub-eV sterile neutrinos are of most interesting. We study in this paper the possibility of searching for sub-eV sterile neutrinos in the precision reactor antineutrino oscillation experiments with three different baselines at around 500 m, 2 km and 60 km. We find that the antineutrino survival probabilities obtained in the reactor experiments are sensitive only to the direct unitarity violation and offer very concentrated sensitivity to the two parameters theta(14) and Delta m(41)(2). If such light sterile neutrinos do exist, the active sterile mixing angle theta(14) could be acquired by the combined rate analysis at all the three baselines and the mass-squared difference Delta m(41)(2) could be obtained by taking the Fourier transformation to the L/E spectrum. Of course, for such measurements to succeed, both high energy resolution and large statistics are essentially important.

Keywords:number nonconservation; superstring models; mixing matrix; seesaw; mass; conservation; violation; scale

來源出版物: Nuclear Physics B, 2015, 899: 312-327

Bayesian global analysis of neutrino oscillation data

Bergstroem, Johannes; Gonzalez-Garcia, M. C; Maltoni, Michele; et al.

Abstract:We perform a Bayesian analysis of current neutrino oscillation data. When estimating the oscillation parameters we find that the results generally agree with those of the chi (2) method, with some differences involving s (23) (2) and CP-violating effects. We discuss the additional subtleties caused by the circular nature of the CP-violating phase, and how it is possible to obtain correlation coefficients with s (23) (2). When performing model comparison, we find that there is no significant evidence for any mass ordering, any octant of s (23) (2) or a deviation from maximal mixing, nor the presence of CP-violation.

Keywords:neutrino physics; solar and atmospheric neutrinos

來源出版物: Journal of High Energy Physics, 2015, 9: 1-25

Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6×1020protons on target

Abe, K; Adam, J; Aihara, H

Abstract:We report on measurements of neutrino oscillation using data from the T2K long-baseline neutrino experiment collected between 2010 and 2013. In an analysis of muon neutrino disappearance alone, we find the following estimates and 68% confidence intervals for the two possible mass hierarchies: normal hierarchy: sin(2)theta(23) = 0.514(-0.055)(+0.056) and Delta m(32)(2)=(2.51+/-0.10)×10-3eV2/c4and inverted hierarchy: sin2theta(23)=0.511+/-0.055 and Delta m(13)(2)=(2.48+/-0.10)×10(-3) eV2/c4. The analysis accounts for multinucleon mechanisms in neutrino interactions which were found to introduce negligible bias. We describe our first analyses that combine measurements of muon neutrino disappearance and electron neutrino appearance to estimate four oscillation parameters, vertical bar Delta m(2)vertical bar, sin(2)theta(23), sin(2)theta(13,) delta(CP), and the mass hierarchy. Frequentist and Bayesian intervals are presented for combinations of these parameters, with and without including recent reactor measurements. At 90% confidence level and including reactor measurements, we exclude the region delta (CP) = [0.15; 0.83] pi for normal hierarchy and delta (CP) = [-0.08; 1.09] pi for inverted hierarchy. The T2K and reactor data weakly favor the normal hierarchy with a Bayes factor of 2.2. The most probable values and 68% one-dimensional credible intervals for the other oscillation parameters, when reactor data are included, are sin2theta (23) =0.528(-0.055) (+0.038) and vertical bar Delta m (32) (2) vertical bar= (2.51+/-0.11) ×10-3eV2/c4.

Keywords:total cross-sections; super-kamiokande detector; quasi-elastic scattering; high-energy-physics; PION absorption; nucleus scattering; resonance region; delta-resonance; true absorption; charge-exchange

來源出版物：Physical Review D, 2015, 91(7): 072010

Extrinsic and intrinsic CPT asymmetries in neutrino oscillations

Ohlsson, Tommy; Zhou, Shun

Abstract:We reconsider the extrinsic and possible intrinsic CPT violation in neutrino oscillations, and point out an identity, i.e., A (alpha beta) (CP) = A (beta alpha) (CPT) + A (alpha beta) (T), among the CP, T, and CPT asymmetries in oscillations. For three-flavor oscillations in matter of constant density, the extrinsic CPT asymmetries A (ee) (CPT), A (e mu) (CPT), A (mu e) (CPT), and A (mu mu) (CPT) caused by Earth matter effects have been calculated in the plane of different neutrino energies and baseline lengths. It is found that two analytical conditions can be implemented to describe the main structure of the contours of vanishing extrinsic CPT asymmetries. Finally, withoutassuming intrinsic CPT symmetry in the neutrino sector, we investigate the possibility to constrain the difference of the neutrino CF-violating phase and the antineutrino one (delta) over bar using a low-energy neutrino factory and the super-beam experiment ESS nu SB. We find thatdelta-(delta) over barless than or similar to 0.35 pi in the former case anddelta-(delta) over bar less than or similar to 0.7 pi in the latter case can be achieved at the 3 sigma confidence level if delta= (delta) over bar=pi/2 is assumed.

Keywords:line-experiment-simulator; quark mass matrices; super-Kamiokande; T-violation; matter; earth; model

來源出版物：Nuclear Physics B, 2015, 893: 482-500

Status of three-neutrino oscillation parameters, circa 2013

Capozzi, F; Fogli, GL; Lisi, E; et al.

Abstract:The standard three-neutrino (3v) oscillation framework is being increasingly refined by results coming from different sets of experiments, using neutrinos from solar, atmospheric, accelerator and reactor sources. At present, each of the known oscillation parameters [the two squared mass gaps (8m(2), triangle m(2) and the three mixing angles d. 12;. 13;. 23 is dominantly determined by a single class of experiments. Conversely, the unknown parameters (the mass hierarchy, the. 23 octant and the CP- violating phase d) can currently be constrained only through a combined analysis of various (eventually all) classes of experiments. In the light of recent new results coming from reactor and accelerator experiments, and of their interplay with solar and atmospheric data, we update the estimated Ns ranges of the known 3. parameters and revisit the status of the unknown ones. Concerning the hierarchy, no significant difference emerges between normal and inverted mass ordering. A slight overall preference is found for. 23 in the first octant and for nonzero CP violation with sin＜0; however, for both parameters, such preference exceeds 1s only for normal hierarchy. We also discuss the correlations and stability of the oscillation parameters within different combinations of data sets.

Keywords:line-experiment-simulator; neutrino

來源出版物：Physical Review D, 2014, 89(9): 093018

Measurement of neutrino and antineutrino oscillations using beam and atmospheric data in MINOS

Adamson, P; Anghel, I; Backhouse, C; et al.

Abstract:We report measurements of oscillation parameters from v(mu) and (v) over bar (mu) disappearance using beam and atmospheric data from MINOS. The data comprise exposures of 10.71×10(20) protons on target in the v(mu)-dominated beam, 3.36×10(20) protons on target in the (v) over bar (mu)-enhanced beam, and 37.88 kton yr of atmospheric neutrinos. Assuming identical v and (v) over bar oscillation parameters, we measure vertical bar Delta m(2)vertical bar=(2.41(-0.10)(+0.09))×10-3eV (2) and sin(2)(2 theta)=0.950(-0.036) (+0.035). Allowing independent v and (v) over bar oscillations, we measure antineutrino parameters of vertical bar(m) over bar (2)vertical bar=(2.50(-0.250)(+0.23))×10-3eV2and sin2(2 (theta) over bar) = 0.97(-0.08)(+0.03), wit minimal change to the neutrino parameters.

來源出版物：Physical Review Letters, 2013, 111(25): 251801

Dark matter, baryogenesis and neutrino oscillations from right-handed neutrinos

Canetti, Laurent; Drewes, Marco; Frossard, Tibor

Abstract:We show that, leaving aside accelerated cosmic expansion, all experimental data in high energy physics that are commonly agreed to require physics beyond the Standard Model can be explained when completing the model by three right-handed neutrinos that can be searched for using present-day experimental techniques. The model that realizes this scenario is known as the Neutrino Minimal Standard Model (nu MSM). In this article we give a comprehensive summary of all known constraints in the Nu MSM, along with a pedagogical introduction to the model. We present the first complete quantitative study of the parameter space of the model where no physics beyond the Nu MSM is needed to simultaneously explain neutrino oscillations, dark matter, and the baryon asymmetry of the Universe. The key new point of our analysis is leptogenesis after sphaleron freeze-out, which leads to resonant dark matter production, thus evading the constraints on sterile neutrino dark matter from structure formation and x-ray searches. This requires one to track the time evolution of left-and right-handed neutrino abundances from hot big bang initial conditions down to temperatures below the QCD scale. We find that the interplay of resonant amplifications, CP-violating flavor oscillations, scatterings, and decays leads to a number of previously unknown constraints on the sterile neutrino properties. We furthermore reanalyze bounds from past collider experiments and big bang nucleosyn thesis in the face of recent evidence for a nonzero neutrino mixing angle theta(13). We combine all our results with existing constraints on dark matter properties from astrophysics and cosmology. Our results provide a guideline for future experimental searches for sterile neutrinos. A summary of the constraints on sterile neutrino masses and mixings has appeared in Canetti et al.

Keywords:model Higgs-boson; sterile neutrinos; electroweak Baryogenesis; transport-equations; finite-temperature; NU-MSM; X-ray; kinetic description; quantum-mechanics; baryon asymmetry

來源出版物：Physical Review D, 2013, 87(9): 093006

編輯：衛(wèi)夏雯

The effect of coherent forward scattering must be taken into account when considering the oscillations of neutrinos traveling through matter. In particular, for the case of massless neutrinos for which vacuum oscillations cannot occur, oscillations can occur in matter if the neutral current has an off-diagonal piece connecting different neutrino types. Applications discussed are solar neutrinos and a proposed experiment involving transmission of neutrinos through 1000 km of rock.來源出版物: Physical Review D, 1978, 17(9): 2369-2374Evidence for oscillation of atmospheric neutrinosFukuda, Y; Hayakawa, T; Ichihara, E; et al.Abstract:We present an analysis of atmospheric neutrino data from a 33.0 kton yr (535-day) exposure of the Super-Kamiokande detector. The data exhibit a zenith angle dependent deficit of muon neutrinos which is inconsistent with expectations based on calculations of the atmospheric neutrino flux. Experimental biases and uncertainties in the prediction of neutrino fluxes and cross sections are unable to explain our observation. The data are consistent, however, with two-flavor νμ?ντ oscillations with sin22θ＞0.82 and 5×10?4＜Δm2＜6×10?3eV2at 90% confidence level.

flux; detector; matter; decay

典

文章題目第一作者來源出版物1 Neutrino oscillations in matter L. Wolfenstein Physical Review D, 1978, 17(9): 2369-2374 2 Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos Fukuda, Y Physical Review Letters, 1998, 81(8): 1562-1567 3 Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station Apollonio, M European Physical Journal C, 2003, 27(3): 331-374 4 Neutrino oscillations in matter T. K. Kuo Reviews of Modern Physics, 1989, 61(4): 937-979 5 Phenomenology of neutrino oscillations Bilenky, SM Progress in Particle and Nuclear Physics, 1999, 43: 1-86

Neutrino oscillations in matter

L. Wolfenstein

摘編自《中國科學：物理學 力學 天文學》，2014年44卷10期：1025～1040頁，圖、表、參考文獻已省略。