本刊資料室

第三類中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)
——2016年自然科學一等獎簡介

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2016年國家自然科學一等獎授予“大亞灣反應堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩新模式”， 表彰中國科學院高能物理研究所王貽芳院士為首的合作團隊發(fā)現(xiàn)第三類中微子振蕩，從而可能有助揭開物質世界許多未知秘密，例如宇宙中“反物質”消失之謎等．

1 中微子及其“味”的發(fā)現(xiàn)

中微子像質子、中子、電子一樣，是基本粒子的一種．

1930年，奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設．1956年，柯溫(C.L.Cowan)和弗雷德里克·萊因斯利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，觀測到了中微子誘發(fā)的反應：第一次從實驗上得到中微子存在的證據(jù)．

1962年，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家利昂·M·萊德曼(L．Ledman)等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”的屬性，證實了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子．他們也因此獲得1988年的諾貝爾物理學獎．2000年7月21日，美國費米國家實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了τ子中微子存在的證據(jù)．

2 中微子振蕩

1957年理論物理學家布魯諾·龐蒂科夫((B． Pontecorvo)提出中微子振蕩的概念，中微子可在不同“味”之間發(fā)生轉換．

1998年，日本的超級神岡實驗(SuperKamiokande)以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子存在振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象得到了合理的解釋．中微子發(fā)生振蕩的前提條件就是質量不為零和中微子之間存在混合．

雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在中微子天文學的開創(chuàng)性貢獻而獲得2015年諾貝爾物理學獎．

太陽中微子失蹤之謎和大氣中微子反?，F(xiàn)象屬于第一類中微子振蕩(電子中微子與μ子中微子之間的轉換)與第二類中微子振蕩(電子中微子與τ子中微子之間的轉換)，從理論上來說還應存在第三類中微子振蕩，即μ子中微子與τ子中微子之間的轉換．

3 大亞灣中微子實驗：第三類中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)

在第一類中微子振蕩(電子中微子與μ子中微子之間的轉換)與第二類中微子振蕩(電子中微子與τ子中微子之間的轉換)發(fā)現(xiàn)后，全世界的粒子物理學者將目光聚焦于用反應堆中微子尋找第三類振蕩的問題．

在這種激烈競爭的國際形勢下，2007年10月，我國大亞灣反應堆中微子實驗開工．由于中微子與其他物質的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數(shù)量的中微子．為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景干擾，中微子的探測儀器時常設立在地底下．圖1為大亞灣中微子實驗大廳.

圖1 大亞灣中微子實驗大廳序

大亞灣實驗合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣的38個研究機構、約270名研究人員組成．其中約150人來自境內單位的16個高校和研究所．

經過日以繼夜的艱苦奮斗，2011年8月15日，大亞灣中微子實驗1號廳開始取數(shù)；2011年11月5日，2號廳開始取數(shù)；2011年12月24日，3號廳開始取數(shù)；至此大亞灣中微子實驗正式運行．在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用了6個中微子探測器，完成了實驗數(shù)據(jù)的獲取、質量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析．結果表明中微子第三類振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%，從而首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式．

4 第三類中微子振蕩發(fā)現(xiàn)的重大意義

國際合作組發(fā)言人王貽芳2012年3月8日在北京宣布(圖2)，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩：并測量到其振蕩幾率．這一重要成果是對物質世界基本規(guī)律的一項新的認識，對中微子物理未來發(fā)展方向起到了決定性作用，并將有助于破解宇宙中“反物質消失之謎”．

圖2 王貽芳2012年3月8日在北京宣布第三類中微子振蕩發(fā)現(xiàn)

大亞灣實驗的結果不僅使我們更深入了解了中微子的基本特性，也決定了我們是否能夠進行下一代中微子實驗，以了解宇宙中物質-反物質不對稱現(xiàn)象，即宇宙中“反物質消失之謎”． 2012年12月20日，美國《科學》雜志公布了2012年度十大科學突破，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式的成果上榜．《科學》的評價是，“如果物理學家無法發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能會代表粒子物理學的未來．大亞灣實驗的結果可能就是標志著這一領域起飛的時刻．”