物质世界最基本单元之一中微子

1.1
at reactors:
1
N /N o sc n o _ os c
Pee 1 sin2213sin2 (1.27Dm213L/E) cos413sin2212sin2 (1.27Dm212L/E)
反应堆中微子 或加速器中微子
太阳中微子 SNO,KamLAND
7
已观测到的中微子振荡
Unconfirmed: LSND: Dm2 ~ 0.1-10 eV2
Confirmed: Atmospheric: Dm2 ~ 210-3 eV2 Solar: Dm2 ~ 8 10-5 eV2
2 flavor oscillation in vacuum:
• 反应堆实验测量磁矩：可能的未来发展方向 • 精确测量其他混合参数：可能的未来发展方向
2020/5/15
11
Measuring sin2213 at reactors
• Clean signal, no cross talk with and matter effects • Relatively cheap compared to accelerator based experiments • Provides the direction to the future of neutrino physics • Rapidly deployment possible
d Vud Vus Vubd sVcd Vcs Vcbs b Vtd Vts Vtbb
2020/5/15
e Ue1 Ue2 Ue31 U1 U2 U32 U1 U2 U33
9
目前国际上中微子研究的主要方向
• 中微子振荡 ==》中微子相对质量与相角
– 精密测量 23: MINOS,OPERA, – 精密测量 12: SuperKamiokande, SNO, KamLAND – 测量 13: Double CHOOZ, DYB – 测量 Dm223 符号： T2K, NOVA,。。。
• 中微子绝对质量与磁矩
– 绝对质量: Katrin – 磁矩: Texono, NUMU
• 双b 衰变 ==》中微子与反中微子是否同一个粒子？
– CUORE, NEMO,…
– EXO, Genius, Majorana, Moon, …
2020/5/15
10
中国为什么要选择反应堆中微子实验测量13 ？
（2019 年诺贝尔奖） 2019 超级神冈实验证实大气中微子丢失, 中微子振荡！
(2019 年诺贝尔奖） 2019 SNO 实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微 子 2019 KamLAND 用反应堆实验证实太阳中微子振荡
中微子振荡开启了粒子物理，天体物理与宇宙学研究的新窗口
2020/5/15
3
• 中微子与宇宙学的关系：
– 构成宇宙中的暗物质
– 中微子振荡与宇宙中物质与反物质不对称有关
中–微中子微是子粒与子大物尺理度，宇天宙体结物构理的与形宇成宙有学关研究中的热点与交叉
2020/5/15
4
中微子振荡
• 1962年，因信仰共产主义而逃到前 苏联的Bruno Pontecorvo 提出如 果中微子质量不严格为零，且中微 子的质量本征态与弱作用本征态不 同，根据量子力学，不同的中微子 之间可以相互转换
• 加速器中微子实验造价昂贵
加速器：至少数亿美元
每个探测器：至少数亿美元 MINOS, NOvA, SuperK,…
• 双β实验需要雄厚的工业基础，造价昂贵，风险巨大 • 中微子绝对质量测量：技术基础与造价 • 反应堆中微子实验测量13 是一个难得的机遇
– 物理意义重大 – 地理环境优越 – 可以很快 – 便宜(~ 2亿人民币） – 没有重大技术困难
中微子研究的中心：质量
• 宇宙中存在大量中微子，~ 100/cm3，与光子一样 多
• 大多数粒子物理和核物理反应都有中微子产生： 粒子和原子核衰变, 核反应堆,太阳的热核反应, 超新 星爆发,加速器，g-暴，宇宙线 ……
来自百度文库
• 中微子即使有极小的质量，对宇宙的形成与演化有 重要影响
• 卫星实验测得： Σi m vi < 0.7 eV • 中微子质量不为零 ==》超出标准模型的新物理
• 判断中微子质量是否为零的方法
e
e
2020/5/15
5
两种中微子之间的振荡
e
e
2020/5/15
6
三种中微子之间的振荡：简化为 两个两种中微子之间的振荡 + 交叉项
弱作用本征态
e Ue1 Ue2
U1
U2
U1 U2
Ue3 1
U3
2
质量本征态
U3 3
混合矩阵参数化:
1 0 U 0c o s2 3
2020/5/15
1
物质世界的最基本单元之一：中微子
中微子是构成物质世界的最基本单元之一：
e e
u d
c s
t b
弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子 中微子与反中微子是否同一个粒子？ 中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互 作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积 庞大的探测器。 粒子物理标准模型认为中微子质量为零。
sin 02 3 c o s 01 3
1 0e is 0 in1 3 c s o is n1 1 2 2
sin1 2 c o s1 2
0 0
0 sin2 3 c o s2 3 e isin1 3 0 c o s1 3 0
0 1
大气中微子 SuperK
2020/5/15
2020/5/15
2
中微子简史
1930 泡利假设了中微子，以解决b衰变中能量不守恒问题 1956 Reines 和 Cowan 发现中微子（2019 年诺贝尔奖） 1962 Lederman 等发现μ中微子（1988 年诺贝尔奖） 1957 Pontecorvo 提出中微子可以发生振荡 1968 Davis 发现太阳中微子丢失，中微子振荡？
2020/5/15 P(1>2) sin22sin2(1.27Dm2L/E)
8
交叉项：两个未知参数
• CP 相角
– 有可能解释宇宙中“反物质消失之谜”
• 混合角13
– 大亚湾实验要测量的内容 – 为测量CP 相角，必须首先知道13 – 为理解轻子与夸克之间的关系，研究超出标准
模型的更基本的统一理论，必须像测量夸克中 的CKM矩阵一样，测量中微子混合矩阵