本刊資料室

第三類中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)
——2016年自然科學(xué)一等獎簡介

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2016年國家自然科學(xué)一等獎授予“大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩新模式”， 表彰中國科學(xué)院高能物理研究所王貽芳院士為首的合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)第三類中微子振蕩，從而可能有助揭開物質(zhì)世界許多未知秘密，例如宇宙中“反物質(zhì)”消失之謎等．

1 中微子及其“味”的發(fā)現(xiàn)

中微子像質(zhì)子、中子、電子一樣，是基本粒子的一種．

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出存在中微子的假設(shè)．1956年，柯溫(C.L.Cowan)和弗雷德里克·萊因斯利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，觀測到了中微子誘發(fā)的反應(yīng)：第一次從實(shí)驗(yàn)上得到中微子存在的證據(jù)．

1962年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家利昂·M·萊德曼(L．Ledman)等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”的屬性，證實(shí)了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子．他們也因此獲得1988年的諾貝爾物理學(xué)獎．2000年7月21日，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了τ子中微子存在的證據(jù)．

2 中微子振蕩

1957年理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫((B． Pontecorvo)提出中微子振蕩的概念，中微子可在不同“味”之間發(fā)生轉(zhuǎn)換．

1998年，日本的超級神岡實(shí)驗(yàn)(SuperKamiokande)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子存在振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象得到了合理的解釋．中微子發(fā)生振蕩的前提條件就是質(zhì)量不為零和中微子之間存在混合．

雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在中微子天文學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得2015年諾貝爾物理學(xué)獎．

太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象屬于第一類中微子振蕩(電子中微子與μ子中微子之間的轉(zhuǎn)換)與第二類中微子振蕩(電子中微子與τ子中微子之間的轉(zhuǎn)換)，從理論上來說還應(yīng)存在第三類中微子振蕩，即μ子中微子與τ子中微子之間的轉(zhuǎn)換．

3 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)：第三類中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)

在第一類中微子振蕩(電子中微子與μ子中微子之間的轉(zhuǎn)換)與第二類中微子振蕩(電子中微子與τ子中微子之間的轉(zhuǎn)換)發(fā)現(xiàn)后，全世界的粒子物理學(xué)者將目光聚焦于用反應(yīng)堆中微子尋找第三類振蕩的問題．

在這種激烈競爭的國際形勢下，2007年10月，我國大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)開工．由于中微子與其他物質(zhì)的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數(shù)量的中微子．為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設(shè)立在地底下．圖1為大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大廳.

圖1 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大廳序

大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣的38個研究機(jī)構(gòu)、約270名研究人員組成．其中約150人來自境內(nèi)單位的16個高校和研究所．

經(jīng)過日以繼夜的艱苦奮斗，2011年8月15日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)1號廳開始取數(shù)；2011年11月5日，2號廳開始取數(shù)；2011年12月24日，3號廳開始取數(shù)；至此大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行．在2011年12月24日至2012年2月17日的實(shí)驗(yàn)中，科研人員使用了6個中微子探測器，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、質(zhì)量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析．結(jié)果表明中微子第三類振蕩幾率為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．

4 第三類中微子振蕩發(fā)現(xiàn)的重大意義

國際合作組發(fā)言人王貽芳2012年3月8日在北京宣布(圖2)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩：并測量到其振蕩幾率．這一重要成果是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的一項(xiàng)新的認(rèn)識，對中微子物理未來發(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”．

圖2 王貽芳2012年3月8日在北京宣布第三類中微子振蕩發(fā)現(xiàn)

大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不僅使我們更深入了解了中微子的基本特性，也決定了我們是否能夠進(jìn)行下一代中微子實(shí)驗(yàn)，以了解宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象，即宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”． 2012年12月20日，美國《科學(xué)》雜志公布了2012年度十大科學(xué)突破，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式的成果上榜．《科學(xué)》的評價是，“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)域起飛的時刻．”