中微子质量振荡原因_中微子振荡书籍_中微子质量宇宙学测量(2)

通过中微子振荡只能测出中微子的质量平方差。精确测量 b 衰变的电子能谱端点,或者测量无中微子双 b 衰变(假如存在这类衰变的话),可以得到中微子质量的另一个关系,从而限定三种中微子的质量。然而这两类实验难度非常大,近期能够成功的可能性很小。

普朗克卫星最新的宇宙学观测给出了三种中微子质量之和的最佳测量结果,为 0.320±0.081 eV。中微子的实验研究大致可以分成两类,一类是中微子振荡研究,另一类是非振荡物理,包括绝对质量的测量、无中微子双b衰变、寻找惰性中微子、寻找非标准相互作用和反常磁矩,以及中微子天文学等。

由于标准模型强大的预言能力,在过去几十年,不少新粒子或新现象都是先有理论预言,再被实验发现,因此被称为“有保障的发现”,包括一些获诺贝尔奖的发现如 W±和 Z0。随着希格斯粒子的发现,“有保障的发现”基本上结束了,新物理的突破需要更加艰难的探索。2012年,除了希格斯粒子,大亚湾实验还发现了一个较大的中微子混合角 q13。这绝对是一个好消息,它告诉我们,中微子这个领域还有几个“有保障的发现”在不远处等着我们。我们可以在研究中微子未知性质的同时寻找新物理的突破口。

质量顺序的测量在测得 q13后,测量质量顺序成为中微子研究的下一个热点。

我们已知 m2>m1,因为能量较高的太阳中微子振荡主要发生在太阳内部,电子中微子与太阳内的电子发生带电流弱相互作用带来物质效应,可以区分 m2与 m1的大小。大气中微子振荡则只能测得质量平方差的绝对值,因此我们不清楚三种中微子的质量顺序是正的(m3>m2>m1)还是反的(m2>m1>m3)。

如果不知道质量顺序,长基线中微子的振荡几率不能确定,因此也影响 CP 破坏的测量;从宇宙学,或者无中微子双 b 衰变实验,或者 b 谱端点得到质量关系后,也不能确定中微子的绝对质量;假如中微子质量顺序为正,我们有可能永远无法通过无中微子双 b 衰变实验来确定中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子。

我们曾经认为q13很小,质量顺序、CP 破坏相角等未知参数用现有技术可能难以测量。因此,十几年前人们就开始研制中微子工厂、b 束流等新技术。大亚湾实验发现q13远大于预期,因此用我们现有的技术就可以进行质量顺序和CP 破坏的研究。国际上共提出了8 个实验方案以测量质量顺序,包括中国的江门中微子实验(JUNO)、美国的LBNE、 美国在南极洲的 PINGU、 日本的超超级神冈(Hyper-K)、欧洲的 LBNO、韩国的 RENO-50、印度的 INO,以及即将建成的美国 NOvA。其中JUNO、LBNE、PINGU、Hyper-K的竞争力较强。

利用反应堆中微子振荡中的干涉效应可以测量质量顺序,其最佳基线(即反应堆到探测器的距离)约为 60 千米,需要很大的探测器和极佳的能量分辨率,从精确的能谱测量中确定这种干涉效应。2008年高能物理所就提出了进行该实验的设想,称为大亚湾实验。发现q13很大后,实验难度大大降低,这项工作得以迅速提上日程。该实验要求探测器到各个反应堆的距离相等,否则干涉效应将相互抵消。

由于大亚湾附近规划的反应堆布局不利于测量,2012 年确定在广东省江门的开平市建立实验站,位于距阳江核电站和台山核电站 53 千米处。实验将建设一个有效质量为2 万吨的液体闪烁体探测器(图 1),位于地下700米,能量精度为3%。

最主要的难点是比以前最好的液体闪烁体探测器的能量精度还要高 1倍。江门中微子实验预期 2020 年建成运行,6 年后可将质量顺序确定到 3 ~ 4 倍标准偏差。同时可以精确测量 sin22q12和 2 个质量平方差参数到好于 1% 的精度,研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子,以及惰性中微子等。

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