中微子振荡

中微子振荡
中微子振荡是一个量子力学现象。

理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫首先提出此猜想，他认为特定味的某一中微子可以转化为不同的味。

所探测到的中微子可能处于哪个味要由传播中不断改变的波形决定。

中微子振荡意味着中微子具有质量，这与原始的粒子物理标准模型不相吻合，对理论物理和实验物理而言都有一定的影响。

2012年3月，大亚湾中微子实验组织发言人宣布，大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡，并测量到其震荡几率。

中微子振荡的概念与中性K子系统中的振荡相似，最早由理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫于1957年提出。

中微子是一种极难被探测到的基本粒子，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中都极为重要。

中微子共有三种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡。

[1]中微子是一种不带电，质量极其微小的基本粒子，也是构成物质世界的最基本单元之一，共有三种类型，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了1/4，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。

中微子有一个特殊的性质，即它可以在接近光速的飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。

原则上三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。

其中两种模式自上世纪60年代起即有迹象。

[1]中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实，其发现者凭此获得了2002年诺贝尔奖，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。

[2]
振荡现象
最近的物理研究表明中微子具有微小的质量。

1998年，日本的超级神岗实验（Super Kamiokande）以确凿的证据发现中微子存在振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释。

中微子发生振荡的前提条件就是质量不为零和中微子之间存在混合。

2001年，加拿大的太阳中微子流测量实验（SNO）实验通过巧妙的设计，证实丢失的太阳中微子变成了其它种类的中微子，而三种中微子的总数并没有减少。

同样的结果在KamLAND（反应堆）、K2K（加速器）这类人造中微子源的实验中也被证实。

Super-K 实验与Homestake太阳中微子实验于2002年获得了诺贝尔奖。

新的振荡
大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳2012年3月8日在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。

这一重要成果是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。

“大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。

它不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，也决定了我们是否能够进行下一代中微子实验，以了解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中…反物质消失之谜‟。

”中国高能物理学会理事长赵光达院士说。

中国科学院高能物理研究所的科研人员2003年提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡，并提出了实验和探测器设计的总体方案。

大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，它通过分布在三个实验大厅的8个全同的探测器来获取数据。

每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨。

周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子，近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。

在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。

结果表明中微子第三种振荡几率为9.2%，误差为1.7%，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。

[2]
[1]2012年12月20日，美国《科学》杂志公布了2012年度十大科学突破，大亚湾中微子实验发现中微子第三种振荡模式的成果上榜。

《科学》的评价是，“如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。

大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。

”[1]
振荡原因
中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合，一个电子中微子具有三种质量本征态成份，传播一段距离后变成电子中微子，μ子中微子，τ子中微子的叠加。

中微子的产生和探测都是通过弱相互作用，而传播则由质量本征态决定。

由于存在混合，产生时的弱作用本征态不是质量本征态，而是三种质量本征态的叠加。

三种质量本征态按不同的物质波频率传播，因此在不同的距离上观察中微子，会呈现出不同的弱作用本征态成分。

当用弱作用去探测中微子时，就会看到不同的中微子。

混合规律
中微子的混合规律由六个参数决定（另外还有两个与振荡无关的相位角），包括三个混合角q12、q23、q13，两个质量平方差Dm221、Dm232，以及一个电荷宇称相位角dCP。

通过大气中微子振荡测得了q23与|Dm232|，通过太阳中微子振荡测得了q12与Dm221。

在混合矩阵中，只有下面的两个参数还没有被测量到：最小的混合角q13、CP破缺的相位角dCP。

目前测得的q13的实验上限是：sin22q13<0.17 （在Dm231 = 2.5×10-3eV2下），由法国的Chooz反应堆中微子实验给出。

大气中微子振荡|Dm232| = 2.4&acute;10-3 eV2 sin22q23 = 1.0
太阳中微子振荡Dm221 = 7.9&acute;10-5 eV2 tan2q12 = 0.4
反应堆/长基线中微子振荡dCP 未知sin22q13 < 0.17
q13的数值大小决定了未来中微子物理的发展方向。

在轻子部分，所有CP破缺的物理效应都含有因子q13，故q13的大小调控着CP 对称性的破坏程度。

如果它是如人们所预计的sin22q13等于1%～3%的话，则中微子的电荷宇称（CP）相角可以通过长基线中微子实验来测量，宇宙中物质与反物质的不对称现象可能得以解释。

如果它太小，则中微子的CP相角无法测量，目前用中微子来解释物质与反物质不对称的理论便无法证实。

q13接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。

因此不论是测得q13，或证明它极小（小于0.01），对宇宙起源、粒子物理大统一理论、以及未来中微子物理的发展方向等均有极为重要的意义。

q13可以通过反应堆中微子实验或长基线加速器中微子实验来测量。

在长基线中微子实验中，中微子振荡几率跟q13、CP相角、物质效应、以及Dm232的符号有关，仅由一个观测量实际上无法同时确定它们的大小。

而反应堆中微子振荡只跟q13相关，可以干净地确定它的大小，实验的周期与造价也远小于长基线中微子实验。

从Reines和Cowan第一次发现中微子到第一次在KamLAND观测到反应堆中微子振荡，在这50多年历史中，反应堆中微子实验一直扮演着重要角色。

特别是最近的Palo Verde、CHOOZ、以及KamLAND几个实验的成功，给未来的反应堆中微子实验提供了很好的技术基础，使q13的精确测量成为可能。

反中微子
中微子没有通常意义上的反粒子。

其中反电子中微子是β衰变的副产品。

目前观察到中微子只有左旋，而反中微子只有右旋。

反中微子如同中微子只参与弱相互作用及重力作用。

由于中微子不带电荷，其可能即是自己的反粒子。

带有这种性质的粒子称作马悠拉纳粒子。

如果中微子确实是马悠拉纳粒子，我们便有机会观察到不放出中微子的双重β衰变。

有许多实验试图去寻找这类的反应过程。

历史
1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。

1956年，柯温（C.L.Cowan）和弗雷德里克·莱因斯利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应：
反电子中微子+质子-----中子+正电子这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。

1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家利昂·M·莱德曼等人发现了中微子有“味”的属性，证实了μ子中微子和电子中微子是不同的中微子。

他们也因此获得1988年的诺贝尔物理学奖。

2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据。

1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯等人在美国南达科他州的Homestake地下金矿中建造了一个大型中微子探测器，探测发现，来自太阳的中微子比理论预言减少了1/3，这就是太阳中微子问题。

1998年6月5日，日本超级神冈探测器的科学家们宣布找到了中微子振荡的证据，即中微子在不同“味”之间发生了转换（电子中微子和μ子中微子间变换），这现象只在中微子的静止质量不为零时才会发生。

然而这个实验只能测出不同“味”的中微子质量之差，尚不能测得其绝对质量。

1982年，日本科学家小柴昌俊在一个深达1000米的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器，最初目标是探测质子衰变，也可以利用中微子在水中产生的切连科夫辐射来探测中微子。

1987年2月，在银河系的邻
近星系大麦哲伦云中发生了超新星1987A的爆发。

日本的神冈探测器和美国的Homestake探测器几乎同时接收到了来自超新星1987A的19个中微子，这是人类首次探测到来自太阳系以外的中微子，在中微子天文学的历史上具有划时代的意义。

20世纪90年代，神冈探测器经过改造，名为超级神冈探测器，容量扩大了十倍。

1998年，超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据，表明三种中微子是可以互相转换的，为解决太阳中微子问题指明了道路。

2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台发表了测量结果，探测到了太阳发出的全部三种中微子，证实了太阳中微子在达到地球途中发生了相互转换，三种中微子的总流量与标准太阳模型的预言相符合，基本上有解释了太阳中微子失落的部份。

2002年，雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊因在中微子天文学的开创性贡献而获得诺贝尔物理学奖。

性质
粒子间的各种弱相互作用会产生中微子，而弱相互作用速度缓慢正是造就了恒星体内“质子-质子”反应的主要障碍，这也解释了为什么中微子能轻易的穿过普通物质而不发生反应。

太阳体内有弱相互作用参与的核反应每秒会产生10的38次方个中微子，畅通无阻的从太阳流向太空。

每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体，甚至在夜晚，太阳位于地球另一边时也一样。

探测
由于中微子与其他物质的相互作用极小，中微子的探测器必须够大，以求能观测到足够数量的中微子。

为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰，中微子的探测仪器时常设立在地底下。

速度
在“中微子震荡”这个概念出现以前，根据狭义相对论而建立的中微子标准模型，中微子的质量应为零，并应该以光速行进。

然而，近年的研究似乎开始对“中微子的质量是零”这个假设开始动摇，亦因此开始有人质疑中微子是否能够以光速行进。

科学家首次对中微子的速度进行侦测在1980年代早期，当时科学家透过从脉冲质子束射击而产生的脉冲π介子束来测量中微子的速度。

当带电的π介子衰变，就会产生μ子及中微子或电子中微子。

透过长基线的设计，由远方的加速器以此种方式产生中微子，经过地壳的作用削减背景事例，来进行中微子震荡的研究。

透过检测加速器产生粒子，与中微子出现在侦测器的时间差，就可测量出中微子的速度。

结果显示中微子的速度是光速与假设相符。

后来当这个实验在其他地方重复时，测量中微子的方法改用了MINOS侦测器，测出了一颗能量为3 GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。

由于这个速度的中间值比光速还要快，科学家当时认为实验的不确定性太大，而实际上中微子的速度应该不可能超过光速。

这个实验设定了50 MeV的渺中微子的质量上限。

同样的观测不单在地球上发现，当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。

有趣的是：这些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。

对于这个现象，当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快”，而这个速度亦与光速接近。

然而，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度有可能会比光速还要快。

2011年9月，位于意大利格兰萨索国家实验室(LNGS) 的OPERA实验宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志。

研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。

根据这项对渺中微子的研究，发现当平均能级达到17 GeV的渺中微子从CERN走到LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快60.7纳秒，即以光速的1.0000248倍运行，是实验的标准差10纳秒的六倍，“比光速快6公里”，是非常显著的差异。

如果此结果确定证实的话，将会是理论物理学界的一大震撼，其中一方的说法是，如果真的有如此大的差异，从超新星飞来的中微子应该早到数年而不是数小时。

为此，合作进行实验的欧洲粒子物理研究机构特地举办了一场网络发表会，详细说明的实验的方法以及各种误差的估算，同时邀请其他的实验机构能够重复相同的实验，来作为此结果的验证。

然而，在2012年2月，CERN发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象，但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。

为此将在2012年5月重新进行试验进行检测。