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(4)

由于质子带正电,产生的反中微子束流一般只有正中微子的 1/3 流强。从探测器测得它们振荡几率的差别,就可以测得 CP 破坏相角。

LBNE 和 Hyper-K 实验可以测量CP 破坏。如果 CP 破坏相角为 0°或 180°,则 CP 破坏效应为零,90°和 270°处最大。到 2032 年,通过 10 年的测量,例如 3 年正中微子,7 年反中微子,LBNE 对 1/4的参数空间可测量 CP 破坏到 3 倍标准偏差以上,而 Hyper-K 则有3/4 的参数空间。

大气中微子和中微子实验都可以测量q23并确定它对 p/4的偏离。中微子 LBNE 可以通过 m 中微子消失几率的测量,对大部分参数空间将q23的精度测量到好于 1°,对q23小于 40°或大于 50°的情况可以解决八分圆问题到 3 倍标准偏差以上。Hyper-K通过大气中微子也可以测量到类似的精度。

预期到 2032 年左右,我们将能够有 3/4 的几率测量到中微子的CP 破坏。对其他 5 个中微子振荡参数的测量精度将好于 1%。精确测量振荡参数将使我们能够检验混合矩阵的幺正性。假如存在超出标准模型的重中微子,例如像解释中微子微小质量的“跷跷板机制”所预言的那样,我们现有的技术手段也许无法直接寻找,但它们会对现有的中微子振荡产生间接影响。我们所测得的 3×3 混合矩阵将是一个更大的幺正矩阵的子矩阵,前者本身不再满足幺正性。通过精确测量混合参数,我们可以窥探更高能量下的新物理。

非振荡中微子研究无中微子双 b 实验是一类极为重要的中微子实验。如果发现了这种现象,则说明中微子与其他费米子都不同,是马约拉纳粒子。现在有十多个实验,利用不同的探测技术和不同的同位素进行研究,例如 Gerda,CUORE,NEMO 等。EXO 是其中竞争力最强的实验之一。它利用液氙(136Xe)同时作为双 b 衰变核素和探测介质,在极低本底、实验规模化上有较大优势。

目前EXO实验采用200千克液氙,计划升级为 nEXO,靶质量为 5 吨,并继续提高探测器性能。特别是有可能实现独有的Ba离子标记技术,原则上可排除所有其他核素产生本底。

假如中微子具有反质量顺序,下一代的无中微子双 b 实验将能在未来 10 年确定中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子。假如质量顺序是正序则很糟糕,如果未能找到无中微子双 b 衰变现象,即使是下一代实验,也不能排除它为马约拉纳粒子。

为了解释 LSND 实验发现的极短距离的中微子振荡现象,有人认为存在着质量在 1 eV 附近的中微子。由于上 Z0粒子衰变实验已经证明只有三种参与弱作用的中微子,只能假定存在一种标准模型之外的、不直接参与弱作用的粒子,称为“惰性中微子”。中微子质量振荡原因还有一些其他迹象支持惰性中微子的存在,如反应堆中微子反常、GELLEX 反常等。专门设计来验证LSND 实验的 MiniBooNE 实验也未能得到明确的结果。惰性中微子激起了相当一部分人的兴趣。新设计的实验包括在距反应堆几米的地方测量中微子振荡、近距离的中微子实验、利用放射源近距离测量中微子等。也许未来一二十年内能够证实或否定它的存在。

中微子也是一种新的天体物理的研究手段。中微子不带电,穿透能力强,因此能提供其他粒子无法提供的信息。南极洲的“冰立方”实验 2013 年发现了来自宇宙的极高能中微子,它们有可能提供极高能宇宙线起源的信息。探测超新星中微子、太阳中微子将带来星体内部的的信息,帮助我们理解星体的形成与演化。地球中微子也能帮助我们刺探无法到达的地球内部,帮助理解地球的形成与演化。

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