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(3)

LBNE 将在南达科它州的Homestake 建立 1 万吨的液氩探测器,探测 1300 千米外费米实验室产生的中微子束流,通过中微子穿过地球时的物质效应来确定质量顺序。实验原计划采用 3.4 万吨的探测器,目前只批准了1万吨,预期 2022 年建成。长基线中微子实验对质量顺序的灵敏度严重依赖于 CP 破坏的大小。对 CP破坏较大的一半参数空间,LBNE在 10 年内可将质量顺序确定到5倍标准偏差。对另一半参数空间则为 2 ~ 5 倍标准偏差。实验的难点是建造 1 万吨的液氩探测器(以前最大为 600 吨)。同样利用费米实验室的产生中微子的还有即将建成的 NOvA 实验,它在 730 千米外的明尼苏达州建立 5 万吨的塑料闪烁体探测器,有1/4的几率(参数空间)将质量顺序测量到 3 倍标准偏差。

大气中微子也可以用来确定质量顺序。高能原初宇宙线在大气中产生大量的中微子,它们在地球表面基本上均匀分布。超级神冈实验正是发现了贯穿地球的大气中微子随不同飞行距离的存活几率而发现了中微子振荡。穿过地球时的物质效应对正、反 m 中微子的影响不同,在正、反质量顺序情况下的影响也不同。超级神冈实验虽然有5 万吨水,但仍不足以区分正反质量顺序。印度在建的 INO 实验是唯一能区分正、反 m 子的大气中微子实验,但其质量也为 5 万吨,灵敏度不高。大气中微子有较宽的能谱,其中对质量顺序测量贡献最大的是 7 GeV 左右的中微子。南极洲的冰立方实验(图 2)可以探测到大气中微子,体积为 1 立方千米,即 10 亿吨,但能量阈值太高,不能探测 7 GeV 的 m 中微子。因此,科学家计划在冰立方的中心重新建一个光电倍增管更密集,能探测到更多光子,因而能量阈值更低的实验,叫 PINGU,其有效质量100 ~ 1000 万吨。3 年的数据量可以测量质量顺序到 3 倍标准偏差以上。实验的主要难点在于能否精确地将光电倍增管部署到冰下的预期位置,以及能否精确理解光子在冰层中的传播过程。PINGU 实验尚未批准。如果这些问题能解决,可能是测量质量顺序最快的实验。

继超级神冈之后,日本计划在原址旁新建超超级神冈(Hyper-K),质量从 5 万吨提升到 100 万吨。

Hyper-K 将探测来自 295 千米外日本散射中微子源(J-Parc)的中微子束流。由于 295 千米的距离较短,地球物质效应不够显著,运行6 ~ 10 年后也只对不到 1/4 的参数空间能将质量顺序测量到 3 倍标准偏差以上。Hyper-K 也能探测大气中微子和超新星中微子。利用大气中微子对质量顺序的灵敏度更好,6 ~ 10 年的数据,对大部分参数空间都能测量到 3 倍标准偏差以上。

在这些实验中,JUNO、LBNE、NOvA、INO 已获批准,PINGU、Hyper-K 有较大的可能被批准(图 3)。这些实验涵盖了反应堆中微子、中微子和大气中微子三种源,采用了不同的探测器技术。实验用 m 中微子束流,探测电子中微子的出现几率,灵敏度依赖于 CP 破坏相角。大气中微子探测 m 中微子的消失几率,灵敏度依赖于q23对p/4的偏离值。

反应堆中微子实验则与 CP 破坏相角和q23的八分圆问题无关,但对能量精度要求很高。预期到 2025年左右,我们能够通过不同的手段基本上确定中微子的质量顺序。

其他中微子振荡测量中微子的 CP 破坏大概是剩下的“有保障的发现”中最重要的一个。它与宇宙中正反物质的不对称可能相关。测量 CP 破坏最直接的方法是比较正、反中微子振荡的差别。只有中微子实验比较容易做到这一点。通过改变质子打靶后的聚焦磁场方向,可以选择性地聚焦正粒子还是反粒子,从而产生正中微子或反中微子束流。

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