何紅建

繼2015年10月諾貝爾物理學(xué)獎公布之后一個月，中微子領(lǐng)域再傳喜訊：大亞灣中微子團隊斬獲2016年“基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎”，共同分享這一大獎的還有其他四個國際中微子實驗團隊（KamLAND，K2K/T2K，SNO，Super Kamiokande）。在此向大亞灣合作組，向大亞灣實驗組的領(lǐng)頭人王貽芳和陸錦標致以衷心祝賀！

“突破獎”授予發(fā)現(xiàn)三種中微子振蕩模式

榮獲“突破獎”的五個實驗團隊發(fā)現(xiàn)了中微子的三種振蕩模式，定量測定了中微子的非零混合角（θ₁₂，θ₂₃，θ₁₃）及中微子質(zhì)量的平方差。這些參數(shù)都是自然界的基本常數(shù)，對于進一步理解中微子質(zhì)量起源和探索中微子與輕子部分的CP破壞具有重大科學(xué)意義（C和P分別代表電荷共軛變換和空間反演變換兩種基本分離對稱性）。大亞灣實驗結(jié)果是一項以中國科學(xué)家為主體、聯(lián)合美國等國的42個單位的292名科學(xué)家共同參與，并在中國本土上完成的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

三種不同的中微子v₁，v₂，vθ₃之間有著兩兩相互轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，描述大氣中微子振蕩的混合角θ₂₃和描述太陽中微子振蕩的混合角θ₁₂，分別由美國南達科他州霍姆斯特克（Homestake）探測器、日本超級神岡（Super Kamiokande）探測器、加拿大薩德伯里中微子天文臺（SNO）與神岡液體閃爍反中微子探測器（KamLAND）等實驗證明不為零，即中微子之間發(fā)生了振蕩。

大亞灣合作組在2012年3月8日首次宣布了關(guān)于中微子關(guān)鍵混合角θ₁₃非零的突破性發(fā)現(xiàn)，超出背景5.2個標準偏差，以大于99.9999%的精度確立了中微子的第三種振蕩模式，這是一個測量反電子中微子通過振蕩而消失的反應(yīng)堆中微子實驗。大亞灣團隊的這項重大發(fā)現(xiàn)是在王貽芳研究員（中科院高能物理研究所）和陸錦標教授（加州大學(xué)伯克利分校）的領(lǐng)導(dǎo)下完成的。

2003年以來，有7個國家先后提出了8個實驗方案，利用反應(yīng)堆中微子實驗測量θ₁₃，最終投入建造的有3個，包括中國大亞灣實驗、法國Double Chooz實驗和韓國RENO實驗。

大亞灣實驗位于廣東深圳的大亞灣核電站和嶺澳核電站，于2007年10月動工，到2011年中期先后完成探測器的建造與安裝，并在8月開始近點取數(shù)，12月下旬開始遠近點同時運行。實驗基地建有總長3千米的隧道和3個地下實驗大廳，分別為大亞灣近點、嶺澳近點與遠點大廳，大廳內(nèi)共可容納8臺中微子探測器，每臺高5米，直徑5米，重110噸，安置于10米深的水池中。利用兩個近點實驗廳內(nèi)探測器測量反應(yīng)堆中微子流強，并在遠點實驗廳探測振蕩效應(yīng)。分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)遠點探測到的中微子數(shù)顯著低于預(yù)期，表明中微子在傳播中發(fā)生了振蕩，從電子反中微子轉(zhuǎn)變成了其他種類的中微子。這個實驗的完成除了方案設(shè)計與論證、實驗隊伍組建、立項和經(jīng)費籌備等，還涉及相當復(fù)雜的工程技術(shù)問題，包括核電站附近的隧道施工，中微子探測器的研制及其部件的批量生產(chǎn)和安裝。此外，還有信號與背景模擬，數(shù)據(jù)采集、刻度、修正和分析等等。關(guān)于這個實驗發(fā)展的詳情，已有很多介紹，實驗團隊近期也已被大量采訪和報道，這里不再贅述。多年前，貽芳曾發(fā)給我一篇綜述文章《大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗》，此文于2007年發(fā)表在《物理》雜志36卷第3期，這一年大亞灣實驗正好破土動工。該文摘要中提到了大亞灣中微子實驗測量θ₁₃混合角的物理目標和科學(xué)意義，有興趣的讀者可以閱讀。

探索非零θ₁₃：理論和實驗

恰巧我與大亞灣中微子實驗的兩位領(lǐng)頭人都很熟悉，所以可以談?wù)勁c他們的討論與交流，以及關(guān)于非零θ₁₃的物理緣由。我與貽芳的第一次交往大概要回溯到15年前，那時貽芳剛剛回國加入高能所，而我當時還在美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校工作，經(jīng)高能所一位同事發(fā)郵件向我引見，得知貽芳在考慮一個探測磁單極的實驗，希望我作為理論同行提供一些建議，因為這位同事知道我曾對磁單極做過深入研究。那時我與貽芳尚未謀面，我們通過郵件交流，詳情已經(jīng)淡忘，大概因為各自也在忙別的研究。我與貽芳見面應(yīng)該是我回國之后的事，那是2006年秋我第一次到桂林參加全國粒子物理學(xué)年會。貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣實驗于2007年10月動工。三年之后.2010年春我特別邀請貽芳來清華大學(xué)報告大亞灣實驗進展，那時大亞灣的探測器尚在建造之中，人們對此已不覺新鮮，聽眾也不多，也沒有人料到大亞灣會在兩年之后做出如此戲劇性的發(fā)現(xiàn)。那時實驗上還沒有任何θ₁₃非零的跡象，其實驗下限在2個標準偏差內(nèi)與零完全一致。大亞灣實驗對探測θ₁₃設(shè)計精度可以小到2.9度（90%置信度）。大亞灣當時的狀況也許可概括為八個字：進度尚好，前途未卜。貽芳和他的同事們后來應(yīng)該參加過無數(shù)國內(nèi)外的中微子盛會，并宣講θ₁₃發(fā)現(xiàn)，然而那時該方向比較清冷。我常對學(xué)生講，應(yīng)該聽聽比較冷門的學(xué)術(shù)報告，因為那些聽眾爆滿的熱鬧會場往往表明：這個研究領(lǐng)域或方向上的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)已經(jīng)完結(jié)。

θ₁₃非零為何如此重要？因為它可以確保存在可觀測的CP破壞效應(yīng)。而CP破壞是解釋宇宙中產(chǎn)生已觀測到的正反物質(zhì)非對稱性（或稱反物質(zhì)消失之謎）的先決條件之一，目前標準模型夸克部分的CP破壞則不足以解釋這個觀測結(jié)果。反物質(zhì)消失的事實非常重要.否則宇航員乘坐飛船到達月亮或者其他星球就有連人帶船一起被反物質(zhì)所湮沒，化為烏有的危險。要在理論上可靠地預(yù)言θ₁₃的絕對大小實際上非常困難，只要輸入的假定或者自由參數(shù)足夠多，θ₁₃可以取任何值。所以當我們著手研究θ₁₃時，基本上可以跳過當時文獻中的所有模型。

我們沒有孤立地研究θ₁₃，我們的方法是研究非零θ₁₃與非零θ₂₃-45度（即大氣中微子混合角θ₂₃對于最大混合45度的偏離）這兩個小量之間的關(guān)聯(lián)。雖然理論無法可靠地預(yù)言它們各自的大小，但是我們卻從中微子質(zhì)量矩陣的一種最基本的對稱性（μ-τ對稱性）的破缺出發(fā)預(yù)言了兩種非零偏離的關(guān)聯(lián)，這樣通過實驗對θ₂₃-45度偏離的測量數(shù)據(jù)，就可以預(yù)言非零θ₁₃。不僅如此，我們研究了這種偏離與CP破壞的極為自然的共同起源，并在最小的中微子Seesaw機制中給予定量實現(xiàn)。這還導(dǎo)致了對θ₁₃下限的預(yù)言，因為要完滿解釋宇宙中正反物質(zhì)非對稱性，就需要一個非零θ₁₃以確保CP破壞的存在。我們給出的理論下限是θ₁₃>1度，這個下限有相當?shù)钠者m性，因為之后我們在不同的理論分析中也得到了類似的結(jié)果。這給大亞灣探索提供了有益的支持，但還不足以確保其一定能測到，因為上面已經(jīng)提到大亞灣實驗的設(shè)計探測精度是θ₁₃=2.9度。2010年我邀請貽芳來清華報告的一個原因也是為了與他進一步討論關(guān)于θ₁₃的探測精度，還有大亞灣無法測量的大氣中微子混合角θ₂₃及其對最大混合的偏離。

我們的這一研究雖然是基于最小Seesaw機制進行構(gòu)造，但進一步認識到了中微子最基本的對稱性：任何一個3x3的馬約拉納粒子（Majorana particle）質(zhì)量矩陣，其最大非平庸對稱性是Z₂（μ-τ）xZ₂（solar），其中Z₂（μ-τ）決定了（θ₂₃，θ₁₃）=（45度，O度）；而Z₂（solar）決定太陽中微子角θ₁₂作為它的群參數(shù)，但并未固定θ₁₂取值。此文構(gòu)造了Z₂（μ-τ）與CP的共同破缺的起源，但保持Z₂（solar）對稱性。那時，國際中微子理論界流行一種稱為TBM混合（Tri-bi-maximal mixing）的假設(shè)，以及能夠?qū)С鲞@種假設(shè)的各種味道對稱群（諸如A₄，S₄等），TBM對應(yīng)于（θ₂₃，θ₁₃）=（45度，0度）和θ₁₃=35.3度。這也可以理解，因為那時尚未顯示非零013的任何跡象。

令人欣慰的是，貽芳那次在清華的報告之后不到三個月，李政道先生和他在哥倫比亞大學(xué)的合作者弗里德伯格（R.Friedberg）發(fā)表了一篇引人注目的文章（http：//arxiv.org/abs/1008.0453），提出了另一個預(yù)言θ₁₃和θ₂₃-45度兩種非零偏離關(guān)聯(lián)的機制（稱為帶電輕子的微擾方法），李先生和弗里德伯格的文章把我們研究論文（http：//arxiv.org/abs/1001.0940）中提出的方法稱為中微子微擾的GHY方法，并把兩種預(yù)言的差別做了定量比較，他們指出包括大亞灣等正在進行中的實驗將對這兩種預(yù)言給出甄別。

也因為我與李先生、弗里德伯格通過這一研究方向的交流，李先生很贊賞我們的工作，于是李先生委托我和貽芳聯(lián)合高能所、清華和北大在中國高等科學(xué)技術(shù)中心（CCAST）組織一個全國性的中微子研討會。我們把這個會議取名為“大亞灣時代的中微子物理”（Neutrino Physics in the Daya Bay Era），得到李政道先生贊同。這個名稱對大家是一個勉勵，但明顯有些超前，因為那時大亞灣尚未鎖定發(fā)現(xiàn)非零013的桂冠。李先生參加了這個會議并做了精彩的開幕報告，他的報告題目與他的新論文（arXiv：1008.0453）一致。這個會議于2010年11月召開，邀請了國內(nèi)所有研究中微子物理的實驗和理論同行參加，報告相關(guān)工作，并邀請了關(guān)心大亞灣實驗進展和中微子物理前沿的高能物理界同行和青年學(xué)生。

自那以后，我們繼續(xù)發(fā)展了這個方向的研究，并在2011年4月發(fā)表了一篇長文（http：//arxiv.org/abs/1104.2654），繼續(xù)研究掌控這兩種非零偏離（θ₁₃和θ₂₃-45度）的基本μ-τ對稱性與CP對稱性破缺的共同起源。我們通過最小Seesaw機制進行了分析，也進行了模型無關(guān)的分析，這與我們前一篇文章（arXiv：1001.0940）正好互補。其中一個關(guān)鍵結(jié)果是預(yù)言了關(guān)于θ₁₃和θ₂₃-45度非零偏離的一種新的關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)更強，從而預(yù)言了較大的θ₁₃取值區(qū)域，與兩個月后公布的日本從東海到神岡（Tokai to Kamioka，T2K）和美國主注入器中微子振蕩搜尋（Main Injector Neutrino Oscillation Search，MINOS）的兩個中微子實驗結(jié)果符合很好。例如，發(fā)現(xiàn)只要大氣中微子角發(fā)生|θ₂₃-45度|=1。的偏離，這種關(guān)聯(lián)就預(yù)言θ₁₃達到6度-9度范圍。

讓高能界振奮的是2011年6月日本T2K中微子實驗率先發(fā)表了關(guān)于θ₁₃的新結(jié)果，表明θ₁₃中心值在9度-11度之間，而且θ₁₃>0度的信號超出背景2.5個標準偏差。隨后美國MINOS實驗也發(fā)表了支持非零θ₁₃的結(jié)果，但其置信度弱一些，僅為1.5個標準偏差。不幸的是日本在2011年3月11日發(fā)生9.0級大地震，T2K加速器中微子實驗裝置慘遭損壞，2011年6月發(fā)布的結(jié)果主要是使用了其Run-2在2010年年末到2011年3月11日地震之前的數(shù)據(jù)采集。然而這也給大亞灣和韓國RENO兩個反應(yīng)堆實驗帶來幸運。因為T2K誘人的初步結(jié)果首次顯示了非零θ₁₃的蛛絲馬跡，而且其中心值高達9度-11度左右。這也強烈暗示了大亞灣根本無需等待安裝預(yù)期計劃的所有8個探測器就可以提前運行和采取數(shù)據(jù)。后來這也的確是大亞灣采取的方案，他們在2011年底之前安裝了6個探測器，從圣誕節(jié)開始取數(shù)，僅僅55天之后就獲得了5.2個標準偏差的突破性發(fā)現(xiàn)，得出θ₁₃的中心值為8.8度。

2012年3月8日大亞灣發(fā)布這個轟動性結(jié)果之后一個月左右，韓國RENO實驗組也在驚訝之后趕緊公布了一個新結(jié)果，測出非零θ₁₃達4.9個標準偏差，中心值在9.8度。這次突破獎的分享者中有T2K，而沒有RENO，這也在預(yù)料之中。RENO的確有些遺憾，因為他們2011年取數(shù)要早得多。

這里可以順便提一下我們組的理論研究在2011年6月T2K和MINOS結(jié)果之后做了什么。T2K實驗提示的較大θ₁₃中心值使我猜測θ₁₃與另一個偏離45度-θ₁₂（即太陽中微子混合角對最大混合的偏離）之間的內(nèi)在關(guān)系。于是我把出發(fā)點選定在研究對于中微子雙最大混合BM（Bi-Maximal Mixing），（θ₁₂，θ₂₃）=（45度，45度）和θ₁₃=0度，的偏離。BM混合方案在1998年就有人提出，但之后該方案被θ₁₂實驗數(shù)據(jù)（θ₁₂=34度-35度）所排斥，逐漸被學(xué)界所遺忘，人們都轉(zhuǎn)向其他流行方案。但我們沒有盲從，自2011年夏天另辟蹊徑重新研究BM，并尋找能夠預(yù)言BM的最小有限群和它的破缺機制。國慶節(jié)后，我們首次證明了在BM模式下能夠完整包含中微子最大對稱性Z₂（μ-τ）xZ₂（solar）的最小有限群是八面體群（Octahedral Group Oh），而既不是流行的A₄，也不是S₄。這里關(guān)鍵思想的下一步是要恰當?shù)仄迫監(jiān)h群從而使其子群Z₂（μ—τ）xZ₂（solar）的破缺量θ₁₃和45長-θ₁₂發(fā)生關(guān)聯(lián)。

經(jīng)過大量嘗試，我們成功給出了八面體群的構(gòu)造和它極為簡潔漂亮的幾何破缺機制，并預(yù)言如下定量關(guān)系：θ₁₂+θ₁₃=45度或者θ₁₃=45度-θ₁₂，其中沒有可調(diào)自由參數(shù)。再考慮重整化群跑動對θ₁₂+θ₁₃的修正，可預(yù)言低能測量值θ₁₂+θ₁₃≈43度。因為那時θ₁₂已被之前的中微子實驗所精確測量，因此能夠定量預(yù)言θ₁₃的取值范圍。輸人θ₁₂實驗中心值給出θ₁₃8度-9度。2011年12月從CERN又傳來了LHC找到希格斯粒子初步跡象的重大消息，我的精力被分割；而大亞灣實驗的運行當時對外保密，所以我未能將這一研究的短文及時定稿。2012年3月8日傳來大亞灣發(fā)現(xiàn)θ₁₃的突破性結(jié)果，給了我們一個驚喜，幾天之后我們組于3月13日發(fā)表了這篇短文（http：//arxiv.org/abs/1203.2908），此文還同時預(yù)言了最大CP破壞相角|δ|≈90度，與目前T2K的初步結(jié)果一致。

大亞灣發(fā)現(xiàn)的啟示

碰巧的是，大亞灣宣布新發(fā)現(xiàn)剛剛一個月之后，王貽芳再次應(yīng)邀來到清華大學(xué)報告，這時報告廳已經(jīng)人滿為患，與兩年前形成鮮明對比。

值得一提的是，作為大亞灣共同發(fā)言人的陸錦標教授恰好是清華大學(xué)工程物理系的長江講座教授，他多次從伯克利來清華訪問和工作，在清華高能物理中心就中微子進行過多次系列講演.還參加博士答辯。例如，錦標2007年6月在清華高能物理中心做了中微子物理系列講座，其最后一講（第10講）是關(guān)于三種味道中微子振蕩和大亞灣實驗探測混合角θ₁₃；2010年他在清華舉辦了暗物質(zhì)的系列講座。錦標的演講深入淺出，生動有趣，而且相當系統(tǒng)。他為清華的人才培養(yǎng)做出了重要貢獻。

我和錦標一直保持學(xué)術(shù)上的聯(lián)系和交流，特別是在2012年3月之前的那些年，我們在2011年文章（arXiv：1104.2654）的致謝中還專門提到與他和貽芳以及曹俊有益的討論。

前面已經(jīng)提到發(fā)現(xiàn)非零θ₁₃非常重要，是因為它可以確保存在可觀測的CP破壞效應(yīng)。而CP破壞是宇宙中產(chǎn)生正反物質(zhì)非對稱性的一個重要前提。大亞灣發(fā)現(xiàn)的重大物理意義還在于其測定的非零θ₁₃值比較大，中心值在θ₁₃≈8度-9度之間，遠遠大于夸克部分的相應(yīng)混合角θ₁₃（它只有大約0.23度），兩者相差近40倍！這樣一個顯著非零的θ₁₃的重要物理意義在于給下一步探測輕子部分可能的CP破壞效應(yīng)帶來了新的希望，提供了一塊發(fā)現(xiàn)CP破壞的奠基石。進一步發(fā)現(xiàn)中微子CP破壞將是高能物理界公認的下一個諾獎級工作，雖然其難度更大。因此，大亞灣的發(fā)現(xiàn)被國際同行普遍認為是中國物理學(xué)史上迄今最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)在其公布的2012年就立即被美國《科學(xué)》雜志與當年的LHC希格斯粒子發(fā)現(xiàn)一同列入“世界十大科學(xué)突破”。其中希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)位列第一，大亞灣發(fā)現(xiàn)排在第五位。希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)于2013年毫無懸念地榮獲諾獎，而大亞灣發(fā)言人王貽芳和陸錦標則于2013年入選美國物理學(xué)會潘諾夫斯基實驗粒子物理學(xué)獎（Panofsky Prize in Experimental Particle Physics）。高能界行內(nèi)對于2015年諾貝爾獎只發(fā)給首次揭示中微子振蕩的兩個團隊并不感到意外，但是作為同行，都知道下一個諾獎級的工作將很可能是關(guān)于中微子CP破壞的發(fā)現(xiàn)，以及在無中微子雙β衰變實驗中可能首次確證中微子是馬約拉納中微子，當然這兩種實驗難度都很大，不過我對中微子CP破壞的前景看好。另外一個令人矚目的方向是南極的冰立方（lceCube）實驗，亦稱為中微子望遠鏡實驗，自2013年探測到超高能天文中微子（TeV-PeV）信號，開啟了中微子天文學(xué)的時代，這是另一個有望問鼎諾獎的實驗方向。

值得提到的是，更讓高能物理界感到欣慰的是“突破獎”把300萬美元的大獎頒給了在發(fā)現(xiàn)中微子三種振蕩與混合模式的測量中做出突出貢獻的5個實驗團隊。這項大獎也是對整個高能物理界那些為探測這種神奇的“幽靈粒子”而艱苦奮斗的探索者們的最高贊揚與獎賞。雖然“突破獎”的宣布比諾獎晚了一個月，但貽芳告訴我，他早在8月10日就得到了評委會的電話通知，可見“突破獎”在決策上超前諾獎的眼力與果斷。此外，行內(nèi)稍有常識的人心里都知道，2015年諾獎已頒給中微子振蕩的首次發(fā)現(xiàn)，看來也只頒這一次。按照貽芳的合作組同事曹俊對大亞灣的理解，諾貝爾獎一般是給意想不到的發(fā)現(xiàn)，前兩次是給了發(fā)現(xiàn)新的中微子，然后是首次發(fā)現(xiàn)中微子震蕩?！昂颓罢呦啾龋@個實驗分量要輕。設(shè)計的時候，就知道不是諾貝爾獎量級的”。

最近人們都在詢問貽芳關(guān)于中微子的下一個夢想是什么？答案是江門中微子實驗（JUNO），它將測量三種中微子的質(zhì)量排序，其規(guī)模比大亞灣實驗大100倍，計劃在2020年竣工，并進入探測階段。據(jù)我所知，貽芳還有一個關(guān)于中國高能物理與科學(xué)發(fā)展更宏大而雄偉的夢想，這在上個月波士頓國際出版社發(fā)行的一本英文新書From the Great Wall to the Great Collider（《從萬里長城到巨型對撞機》中做了系統(tǒng)介紹。

展望未來，我對中微子物理的前景表示樂觀?；谝陨显u述，的確可以期盼中微子領(lǐng)域的下一個重大突破性發(fā)現(xiàn)。縱觀科學(xué)發(fā)展史，物理學(xué)的成功，特別是粒子物理學(xué)的成功，顯然在于物理學(xué)中不同分支的交融，在于粒子物理學(xué)與其他學(xué)科的交融。中微子領(lǐng)域的輝煌成就也恰恰得益于它與宇宙學(xué)、天文學(xué)、核物理、以及地球物理等領(lǐng)域的密切交融。大自然是一個無法機械割裂的有機整體，認識其深刻性、豐富性和關(guān)聯(lián)性的確需要以全局的方法進行多視角的探索，需要超越傳統(tǒng)意識中狹隘的學(xué)科劃分觀念，這是實現(xiàn)創(chuàng)新的一個重要前提。中微子振蕩的突破性發(fā)現(xiàn)標志人類認識大自然的又一新起點，這還遠未窮盡大自然的寶藏，讓我們感謝美麗大自然的神奇與慷慨！