劉金巖

（中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所 100190）

中微子是聯(lián)系微觀物質(zhì)世界和宏觀宇宙的橋梁，對人類理解物質(zhì)基本組成及宇宙起源和演化至關(guān)重要。1956 年，科溫(C.Cowan)和萊因斯(F.Reines)等首次直接探測到了反應(yīng)堆電子反中微子。1962年，布魯克海文實驗室發(fā)現(xiàn)μ 中微子。日本物理學(xué)家立即提出描述中微子振蕩的混合矩陣，即MNS 混合矩陣。此前，蘇聯(lián)物理學(xué)家龐蒂科夫(B.Pontecorvo)也提出中微子混合和振蕩概念。中微子振蕩隨后成為粒子物理領(lǐng)域的研究熱點，也是探索超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的重要途徑。本文旨在回顧中微子概念的提出歷史，介紹龐蒂科夫和日本物理學(xué)家構(gòu)建中微子混合矩陣的發(fā)展過程，并簡要評述后續(xù)理論和實驗發(fā)展。

一、中微子概念的提出及早期發(fā)展

β射線性質(zhì)及相關(guān)物理現(xiàn)象研究直接推動了原子核物理和粒子物理早期發(fā)展。1896年,貝克勒爾(A.Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象。兩年后，盧瑟福(E.Rutherford)提出放射線由α射線和穿透性更強的β射線組成[1]。其中β射線粒子最終被確認是電子。隨后，物理學(xué)家深入研究β衰變的能量譜等性質(zhì)。1914年，查德威克(J.Chadwick)首次發(fā)現(xiàn)β射線譜顯示出連續(xù)譜跡象。這一問題最終于1927 年被埃利斯(E.Ellis)及其合作者開展的一系列實驗所確定[2](圖1)。衰變的連續(xù)譜問題隨即引發(fā)當(dāng)時物理學(xué)界的一次危機。如果原子核β衰變是一個兩體反應(yīng)過程，即,按照能動量守恒定律，電子應(yīng)該具有確定能量，而非連續(xù)分布。玻爾(N.Bohr)甚至認為在原子核衰變過程中不遵守能量守恒定律。他于1930年5月8日在倫敦舉行的一次法拉第講座中公開談及此想法[3]。

圖1 E.Ellis實驗測量的β射線連續(xù)譜

為拯救β衰變中的能量守恒問題，泡利(W.Pauli)于1930 年12 月4 日給正在德國Tübingen 參加放射性會議的與會者寫了一封著名信件。他在信中除了解釋無法參加會議的原因是更期待參加蘇黎世舉行的一場舞會，還聲稱找到挽救β衰變過程能量守恒定律的補救方法，即：

原子核中可能存在一種電中性粒子1，我稱之為中子(neutron)，其自旋為1/2，滿足不相容原理。它不同于光量子，不以光速運動。中子質(zhì)量與電子同一量級，且肯定不大于質(zhì)子質(zhì)量的0.01 倍。因此，假設(shè)β衰變中同時放射出中子和電子，二者能量之和為常數(shù)，便可理解β衰變的連續(xù)譜。

泡利在信中還提到自己不敢輕易發(fā)表論文，但還是應(yīng)該勇于嘗試新的想法解決物理學(xué)難題，并請放射性領(lǐng)域的朋友嚴肅考慮如何從實驗上證實這一和物質(zhì)作用很小、穿透力很強的粒子。1931 年6月15 日至20 日，泡利在加利福尼亞州帕薩迪納舉行的美國科學(xué)促進會及相關(guān)學(xué)會第88 次會議上介紹了他關(guān)于“中子”的建議(圖2)。

圖2 泡利在帕薩迪納參會時與古德斯米特(S.A.Goudsmit)交談

不過，泡利的“中子”假說并沒有立即受到歡迎，準(zhǔn)確來說是關(guān)心β衰變問題的物理學(xué)家知道其工作但并沒有廣泛接受。以1931 年10 月11 日至17 日在羅馬召開的第一屆原子核物理國際會議為例，密立根(R.Millikan)、瑪麗.居里(M.Curie)，玻爾、海森堡(W.K.Heisenberg)和埃倫費斯特(P.Ehrenfest)等一流物理學(xué)家悉數(shù)出席(圖3)。德拜(P.Debye)在會議總結(jié)報告中并沒有提及泡利的“中子”假設(shè)，而是強調(diào)了玻爾的立場，即“在核分解過程中破壞能量守恒定律”的可能性。

1932 年，核物理領(lǐng)域取得重要進展。當(dāng)年2月，查德威克發(fā)現(xiàn)與質(zhì)子質(zhì)量相當(dāng)?shù)闹行院俗?。但這一質(zhì)量重的粒子顯然不可能是泡利建議的中性粒子。4 月，考克饒夫特(J.D.Cockroft)和瓦爾頓(E.T.S.Walton)利用高壓倍加速器加速質(zhì)子，首次實現(xiàn)用人工加速的粒子引起的核反應(yīng)。這些新發(fā)現(xiàn)成為當(dāng)年7月在巴黎舉行的第五屆國際電學(xué)會議主要議題。不過，費米(E.Fermi)在會上發(fā)表關(guān)于原子核問題的主題演講時只在報告結(jié)尾處簡單提及這些重大進展。他那時對查德威克的中子似乎興趣不大，但對泡利的新粒子假說持積極態(tài)度，認為這種粒子可以解決β射線的連續(xù)光譜和核電子的自旋等問題。

1933年10月12～18日，費米在巴里舉行的意大利科學(xué)促進會議上再次提到泡利的新粒子假說能解釋β衰變連續(xù)譜，并稱之為“中微子”(neutrino：意大利語，微小的中性物體)，以避免與查德威克的“中子”(neutron：大的中性物體)混淆。幾天后(10月22 日至29 日)，在布魯塞爾召開第七屆索爾維會議(圖4)。泡利在會上正式公開介紹他的中微子假說。這促使查德威克等參會者簡單討論探測這種難以探測粒子的可能方法。盡管如此，中微子在會議期間仍舊被忽視，β衰變領(lǐng)域研究者也未將其視為主要問題。

圖3 1931年10月在羅馬舉行的第一屆原子核物理國際會議

圖4 第七屆索爾維會議

費米的做法則截然不同。他很快放棄追求原子核尺度上的新物理定律，并展示如何在普通量子力學(xué)框架內(nèi)通過中微子假設(shè)來解釋β衰變。1933年底至1934 年初，費米發(fā)表β衰變理論[4]。類似于泡利想法，他提出在β衰變中發(fā)射出一個電子和一個中微子，兩個粒子之間分享該過程中釋放的能量，電子因而獲得從零到某個最大值的所有能量值。此外，費米還得出一個關(guān)鍵性結(jié)論，即電子在β衰變之前不存在于原子核中，而是與中微子一起在發(fā)射那一刻產(chǎn)生。這類似于在量子躍遷過程中由原子發(fā)射的光量子，不能被認為在發(fā)射過程前已經(jīng)存在于原子中2。物理學(xué)史家布朗認為費米構(gòu)建了一個“強大的、定量的”，在許多方面仍然是“標(biāo)準(zhǔn)的”理論[5]。根據(jù)該理論，原子核的β衰變是由母核中的一個中子n衰變到質(zhì)子p加上一個電子e和一個反中微子，即的四費米子理論。1934年，約里奧.居里夫婦和費米分別利用α粒子和中子產(chǎn)生人工放射性物質(zhì)。自發(fā)的β衰變只是弱相互作用的一種表現(xiàn)形式。兩年以后，玻爾承認在原子核β衰變問題上，守恒定律的嚴格有效性不再存在嚴重疑問[6]。

二、探測中微子

由于中微子不帶電，且與物質(zhì)相互作用極其微弱，因此多數(shù)物理學(xué)家認為幾乎不可能探測到中微子。根據(jù)貝特(H.Bethe)和佩爾斯(R.Peierls)在1934年2 月給出的結(jié)果，利用原子核反應(yīng)過程產(chǎn)生中微子(1 MeV)的截面約為10-44cm2量級(相當(dāng)于在固體中可穿透1016千米)[7]。但也有實驗物理學(xué)家設(shè)計實驗尋找中微子。當(dāng)時普遍認為測量放射性元素的反沖能量和動量能獲得中微子存在證據(jù)。

1942年，浙江大學(xué)王淦昌教授發(fā)表一篇中微子探測方法的“極有創(chuàng)建性的文章”[8]。王淦昌早年留學(xué)德國，在著名放射性物理專家邁特納(L.Meitner)指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位。他在留學(xué)期間便關(guān)心β衰變理論和驗證中微子實驗。王淦昌1934 年回國后相繼在山東大學(xué)和浙江大學(xué)任教。“七七事變”爆發(fā)后，浙江大學(xué)決定西遷并最終落腳到貴州省遵義市。此時條件稍微安穩(wěn)，但仍不具備開展實驗條件，王淦昌通過歸納、分析國外物理學(xué)雜志上所發(fā)表的實驗方法、數(shù)據(jù)和結(jié)論，提出利用Be7的K電子俘獲方法尋找中微子[9]。該過程中反沖核是單值能量，測量反沖核能量便可獲得關(guān)于中微子信息。王淦昌認為這種工作既能為理論工作搭橋，也能推動實驗工作前進。1947年，他又提出另一種探測中微子方法。因中微子研究工作，王淦昌還獲得3000 美元的范旭東獎金[10]。阿倫(J.S.Allen)、萊特(B.J.Wright)、戴維斯(R.Davis)等國外實驗物理學(xué)家按照王淦昌方法進行一系列實驗，最終于1952年間接證實中微子存在。王淦昌后來曾說：“我想出來的實驗，由外國人做出來，而不是在中國由我們的自己做出來，這是很可惜的，也是一件十分遺憾的事情?！盵11]

在提出中微子探測方法和后續(xù)中微子物理研究過程中，龐蒂科夫(B.Pontecorvo)也曾做出突出貢獻。美國物理學(xué)家泰勒格迪(V.Telegdi)甚至認為中微子物理學(xué)中絕大多數(shù)重要思想都歸功于龐蒂科夫。龐蒂科夫提出的中微子物理想法超前于時代，啟發(fā)多項著名實驗，促進理論和實驗互動發(fā)展。1913年，龐蒂科夫出生于意大利比薩的一個猶太裔家庭。受費米的人格魅力吸引，他于1929年離開比薩進入羅馬大學(xué)物理系三年級學(xué)習(xí)。畢業(yè)后成為費米小組的最年輕成員，是“Via Panisperna boys”成員之一(圖5)。1934 年，龐蒂科夫參與完成著名的慢中子實驗[12]。兩年后，他按照費米建議到巴黎的約里奧.居里(F.Joliot-Curie)實驗室研究同核異構(gòu)問題(nuclear isomerism)[13]。1940 年6 月，德國占領(lǐng)巴黎。因擔(dān)心自己猶太血統(tǒng)被迫害，龐蒂科夫攜家人輾轉(zhuǎn)到達美國并在一個油井勘探公司工作。受益于在羅馬積累的中子研究經(jīng)驗，龐蒂科夫開發(fā)一種后來廣泛應(yīng)用于石油勘探行業(yè)的利用中子尋找石油的測井方法[14]。

圖5 費米及其研究小組(攝于1934年)

鑒于個人仍對物理學(xué)濃厚興趣，龐蒂科夫于1943 年至1948 年到加拿大蒙特利爾實驗室工作，參與設(shè)計和建造大型重水和天然鈾反應(yīng)堆NRX(National Research Experimental)3。由于反應(yīng)堆將產(chǎn)生高通量中微子(預(yù)計6×1015cm2·sec)，龐蒂科夫意識到有可能利用核反應(yīng)堆探測這類粒子。事實上，他在1946年一次由加拿大國家研究委員會組織的核物理會議演講中討論了利用反β衰變過程v+Z →(Z-1)+e+測量中微子的可能性4[15]。盡管根據(jù)貝特和佩爾斯在1934年的計算結(jié)果，在當(dāng)時似乎不可能探測反β衰變。但龐蒂科夫認為利用諸如核反應(yīng)堆等強中微子源使得上述探測具有可行性。他認為反應(yīng)中產(chǎn)生的(Z±1)核可能是放射性的，不難確定其半衰期。這種方法的基本特點是產(chǎn)生的放射性原子具有與探測原子不同的化學(xué)性質(zhì)。因此，可利用大體積濃縮放射性原子。龐蒂科夫提出對這種放射化學(xué)方法的基本要求，即探測物質(zhì)不太昂貴；產(chǎn)生的原子核必須具有放射性且其半衰期至少為一天，以便將其分離；分離方法應(yīng)相對簡單且背景需盡量小。他建議的反應(yīng)為v+37Cl →37Ar+e(37Ar為放射性元素氬，半衰期約為35 天)，中微子源可以是太陽中微子或核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子5。

借助于液體閃爍體技術(shù)發(fā)展，科溫(C.Cowan)和萊因斯(F.Reines)于1956 年首次直接探測到這種幽靈粒子[16]。萊因斯早年曾參與曼哈頓工程的多項核試驗并撰寫報告。1951 年，他與科溫開始探測中微子。根據(jù)費米理論，反β衰變過程中的末態(tài)正電子會迅速同電子湮滅(產(chǎn)生兩條0.51 MeV伽馬射線)，末態(tài)中子則被質(zhì)子俘獲(釋放一條2.2 MeV伽馬射線)。這種特征信號可以被檢測(圖6)。他們還發(fā)現(xiàn)在液態(tài)閃爍體中摻入鎘鹽可加強中子俘獲，從而產(chǎn)生9 MeV 伽馬射線。1953年，萊因斯和科溫利用漢福德核電站的一個大型反應(yīng)堆開展首次實驗。探測器包括300升液體閃爍體和90個光電倍增管，但因宇宙射線背景噪音未獲得理想結(jié)果。1955年，他們又利用薩凡納河附近700 MW反應(yīng)堆(地下12米，距離反應(yīng)堆11米；中微子通量約為1.2×1012/cm2·sec)開展實驗。1956年6月14日，他們給泡利發(fā)電報宣稱發(fā)現(xiàn)中微子(圖7)。

圖6 萊因斯等人提出的直接探測中微子示意圖

圖7 萊因斯和科溫發(fā)給泡利的電報，宣稱探測到中微子

三、建立中微子混合矩陣

直接發(fā)現(xiàn)中微子的同一年，楊振寧和李政道提出弱相互作用下宇稱不守恒的劃時代成就，推翻物理學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)的宇稱守恒定律。同時，物理學(xué)家渴望利用中微子作為探針來研究弱相互作用。盡管缺乏合適的實驗方法，但在20 世紀50 年代末依舊取得進展。宇稱不守恒定律得到實驗驗證后，朗道(L.D.Landau)、李政道和楊振寧、薩拉姆(A.Salam)分別提出二分量中微子理論。1958 年，戈德哈伯(M.Goldhaber)等人實驗發(fā)現(xiàn)中微子是左旋的，有力支持弱相互作用的V-A形式。此外，物理學(xué)家相繼給出中微子質(zhì)量上限(如小于200 eV)。此外，龐蒂科夫和日本物理學(xué)家還提出中微子的振蕩和混合，引領(lǐng)了20世紀下半葉中微子物理發(fā)展的主流。

1.龐蒂科夫首次提出中微子振蕩概念

1950 年10 月以后，龐蒂科夫開始在蘇聯(lián)杜布納的原子核問題研究所工作。參與同步回旋加速器Synchrocyclotron 實驗和塞普可夫Serpukov 加速器實驗(圖8)。關(guān)于龐蒂科夫到蘇聯(lián)的原因，俄羅斯物理學(xué)家契列波夫(V.P.Dzhelepov)認為他在當(dāng)時“是一位共產(chǎn)主義理想主義者，真誠地相信俄羅斯選擇的發(fā)展類型的力量和正確性。”[17]當(dāng)然，也有學(xué)者稱龐蒂科夫在間諜身份被揭露之前而選擇前往蘇聯(lián)。

圖8 1950年代龐蒂科夫(中)與費米(右)在莫斯科6

龐蒂科夫?qū)χ形⒆诱袷庮I(lǐng)域的貢獻是根本性的。1957 年，他在中微子被認為是無質(zhì)量的，因此不可能存在振蕩效應(yīng)的年代提出中微子可能存在振蕩現(xiàn)象。他當(dāng)時相信輕子領(lǐng)域也存在類似K0現(xiàn)象，提出在二分量中微子理論不成立且中微子荷(即輕子數(shù))不守恒的情況下，中微子-反中微子轉(zhuǎn)變原則上是可能的[18]。由于當(dāng)時知道存在一種中微子，因此他提出的震蕩模式為vL ?和。緊接著，龐蒂科夫得知戴維斯利用薩凡納河反應(yīng)堆利用37Cl →37Ar+e過程觀察到中微子和反中微子存在區(qū)別，且輕子數(shù)不守恒7。龐蒂科夫深入思考輕子數(shù)破壞過程并提出發(fā)生該過程的原因是在真空中電子中微子到反電子中微子的變換。除vL和外，龐蒂科夫還假設(shè)存在惰性中微子和vR。為解釋戴維斯實驗，龐蒂科夫認為存在和惰性vR之間的混合(通過兩個Majorana質(zhì)量本征態(tài)：，)。這意味著中微子和反中微子是粒子混合物，即兩個具有不同宇稱的中性Majorana粒子v1和v2的對稱和反對稱組合。因此，來自反應(yīng)堆的最初主要由反中微子組成的一束中性輕子，在一定距離后將由等量中微子和反中微子組成[19]。

1959年，龐蒂科夫開始考慮在加速器上開展中微子實驗。他認為首先要解決的問題是回答存在兩種類型中微子的可能性，即來自β衰變的中微子與來自π →μ衰變產(chǎn)生的中微子是否相同[20]。他列舉在ve ≠vμ情況下，一些由中微子(或反中微子)束誘發(fā)的可能反應(yīng)過程將被禁止。盡管很困難，但龐蒂科夫提議在設(shè)計新的強加速器時須認真考慮計劃測試ve和vμ特性的實驗，還需在加速器設(shè)計早期階段考慮這種實驗中的輻射屏蔽問題。同時，哥倫比亞大學(xué)的施瓦茲(M.Schwarz)也討論同樣問題，提出產(chǎn)生幾乎純凈中微子束流的方法[21]。隨后，施瓦茨參加了萊德曼(L.Lederman)、斯坦伯格(J.Steinberger)等人在布魯克海文實驗室的小組，將此想法付諸實施8[22]。1962年6月，該團隊利用BNL的交變梯度同步加速器(AGS)產(chǎn)生15 GeV 的質(zhì)子束流發(fā)現(xiàn)μ中微子(證明存在兩種類型中微子ve和vμ)[23]。三位物理學(xué)家因此共同分享1988年諾貝爾物理學(xué)獎。

龐蒂科夫曾先后建議蘇聯(lián)物理學(xué)家利用反應(yīng)堆探測中微子和檢驗是否存在兩種中微子，但由于缺乏足夠的資源和設(shè)施(如高能加速器、核反應(yīng)堆和地下實驗室內(nèi))而無法開展實驗驗證其預(yù)言性的理論想法。此外，在冷戰(zhàn)的國際背景下，他也無法與歐洲核子研究中心和美國等國家的物理學(xué)家合作。盡管如此，龐蒂科夫憑借在弱相互作用物理學(xué)和中微子物理學(xué)方面的工作被授予1963 年列寧獎。1968 年至1969 年，龐蒂科夫與合作者發(fā)展出不同類型中微子(或反中微子)之間相互振蕩的理論，成為解釋各種振蕩實驗現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)[24]。

2.名古屋小組提出MNS混合矩陣

龐蒂科夫提出中微子振蕩(中微子-反中微子振蕩模式)概念時實驗上只確認一種中微子。1962年發(fā)現(xiàn)vμ后，日本物理學(xué)家牧(Z.Maki)，中川(M.Nakagawa)和坂田昌一(S.Sakata)立即在名古屋模型下構(gòu)建了中微子振蕩公式，描述中微子味道特征態(tài)(ve、vμ)與質(zhì)量特征態(tài)(v1、v2)之間的關(guān)系(圖9)。此后，日本物理學(xué)界中微子研究領(lǐng)域保持領(lǐng)先優(yōu)勢。

圖9 坂田昌一、牧和中川

名古屋模型是坂田模型的拓展。1956年，日本物理學(xué)家坂田昌一提出強相互作用粒子的復(fù)合模型，即坂田模型[25]。模型將p、n和Λ粒子作為構(gòu)成已知介子和重子的基礎(chǔ)粒子。坂田模型提出后，短時間內(nèi)未引起國際物理學(xué)界關(guān)注，但日本物理學(xué)家認識到其深遠意義并做推廣研究。牧首次嘗試在場論框架下處理坂田模型。松本(K.Matumoto)提出的復(fù)合粒子半經(jīng)驗質(zhì)量公式能較好計算已知的復(fù)合粒子質(zhì)量，還具有預(yù)言未知粒子能力。1958 年，小川修三(S.Ogawa)指出當(dāng)忽略質(zhì)量差和電荷時，p、n和Λ之間存在完全對稱性。第二年，小川等人把完全對稱性表述為三維幺正群U(3)理論，詳細考察該群結(jié)構(gòu)并嘗試對基本粒子分類。不過，坂田模型研究介子時相對有效，但不能有效解釋重子質(zhì)量譜。

考慮到弱相互作用中重子族和輕子族之間存在強的相似性，且在p →v,n →e-,Λ →μ-變換下存在明顯對稱性。坂田等人基于坂田模型提出名古屋模型以解釋完全對稱性及重子-輕子對稱性。[26]模型假定新引入的物質(zhì)是重子質(zhì)量及其相互作用根源，帶正電的物質(zhì)附著在三種輕子上生成p、n和Λ，即：，其中B場的作用是將重子和輕子映射。實驗證實自然界存在兩種中微子后，坂田昌一、牧和中川(圖7)迅速對名古屋模型做必要修改，提出一種中微子混合理論[27]。他們假設(shè)存在一種表征，其通過某種應(yīng)用于弱中微子表征的正交變換來定義“真正的中微子”，即v1=vecosθ+vμsinθ和v2=-vesinθ+vμcosθ上。他們當(dāng)時認為B+僅附著于混合態(tài)v1(與p對應(yīng))但不附著于v2，理由是當(dāng)時不存在與之對應(yīng)的重子。但他們也指出不排除B+能附著于v2的可能性，而與之對應(yīng)的重子因為質(zhì)量大而尚未被發(fā)現(xiàn)。

修改后的模型成功地解釋了核子的輕子衰變和Λ粒子的輕子衰變之間的關(guān)系。但是，此模型除了繼承完全對稱性理論在重子分類上的困難外，還包含一些新的特定的假設(shè)，例如B+物質(zhì)與輕子相結(jié)合的方式，以及中微子混合的根源等。為了克服修改后的名古屋模型的過渡性質(zhì)，牧在1963年引進四個原始重子來解釋重子族和介子族的對稱性，由此把坂田模型和名古屋模型的積極因素都集中到一個統(tǒng)一模型中，但也包含許多假設(shè)。

隨著共振態(tài)粒子實驗的積累以及群論方法的發(fā)展，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和茲溫格(G.Zweig)提出夸克(艾斯)模型?？淇四Ｐ图僭O(shè)重子由u,d,s和其反夸克u、d、s組成，夸克具有分數(shù)電荷。1973年，小林誠(M.Kobayashi)和益川敏英(T.Maskawa)推廣了卡比波(N.Cabibbo)的二代夸克混合，提出存在第三代夸克，他們構(gòu)建的KM矩陣不僅能夠描述夸克味之間混合，同時能夠解釋CP(電荷-宇稱)對稱性破壞問題。中微子混合矩陣目前則被稱為PMNS 矩陣。此外，發(fā)現(xiàn)第二代中微子后，自然地伴隨發(fā)現(xiàn)τ輕子(1975年)提出存在第三代中微子。中微子混合矩陣也被擴展到三代。三代中微子振蕩規(guī)律可用6個基本參數(shù)描述，即3 個混合角θ12、θ23和θ13，2 個質(zhì)量平方差Δm212和Δm322，以及1個電荷宇稱相位角δCP。

四、測定中微子混合矩陣參數(shù)

1963 年，巴考爾(J.Bahcall)等人根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計算得出太陽內(nèi)部通過Be衰變放射的中微子通量[28]。第二年，巴考爾[29]和戴維斯[30]同時分別發(fā)表了關(guān)于太陽中微子的理論和實驗論文。戴維斯一直對龐蒂科夫提出的氯-氬方法感興趣。他在美國布魯克海文國家實驗室工作期間持續(xù)研究這種方法，即通過反β衰變(ve+37Cl→37Ar+e-)過程產(chǎn)生的放射性37Ar數(shù)量推算太陽核聚變中產(chǎn)生的中微子數(shù)9。20世紀50年代末期，戴維斯首次在俄亥俄州一個礦井地下1 英里深處放置探測器探測太陽中微子，但因受宇宙射線影響信號而未得到可靠結(jié)果。隨后，他將實驗移到南達科他州的霍姆斯塔克金礦，將裝有390000升四氯乙烯的探測器置于地下4850英尺(約1478 米)，利用化學(xué)方法提取反應(yīng)產(chǎn)物37Ar。1968年4月16日，戴維斯發(fā)表論文宣布觀測到的太陽中微子只有巴考爾預(yù)言的理論值的1/3[31]，即所謂的“太陽中微子丟失”之謎。

物理學(xué)界對“太陽中微子丟失”之謎給出多種解釋。其中，龐蒂科夫1968年提出的中微子振蕩是理論和實驗的差異之源。太陽中微子發(fā)生振蕩，即由電子中微子變成μ子中微子或τ子中微子。Homestake太陽中微子探測實驗持續(xù)幾十年。盡管期間也發(fā)表初步結(jié)果[32]，但最終結(jié)果于1998年發(fā)表。論文中指出采用龐蒂科夫于1946年提出的方法[33]。同時期開展的意大利的GALLEX實驗和蘇聯(lián)的SAGE實驗(探測中微子材料為Ge)也與Homestake實驗結(jié)果一致。

GALLEX、SAGE 等放射性化學(xué)探測器具有較低的能量探測閾值，對太陽中微子光譜的不同部分敏感。與此不同，小柴昌俊等人在20 世紀80 年代利用水切倫科夫技術(shù)建造了一臺同樣放置于礦井中的中微子探測器，即神岡實驗(Kamiokande，3 千噸水)。到20 世紀90 年代中期該實驗又升級為超級神岡實驗(Super-Kamiokande，5 萬噸水和1 萬多個光電倍增管)。實驗利用光電倍增管探測中微子在水池中發(fā)生碰撞產(chǎn)生的高能電子隨后在水中產(chǎn)生的切倫科夫光子。神岡實驗和超級神岡實驗的實時探測器可以辨別中微子的入射方向，確定中微子確實來自太陽并發(fā)生短缺，觀測到與戴維斯實驗的類似結(jié)果。此外，神岡實驗還在1987 年與IMB一起首次觀測到超新星SN1987A 爆發(fā)產(chǎn)生的中微子，開啟中微子天體物理學(xué)的新領(lǐng)域。不過，這些實驗只證明探測的太陽中微子少于理論預(yù)言值，尚不確定本質(zhì)原因是由中微子振蕩引起還是標(biāo)準(zhǔn)太陽模型存在問題。

戶冢洋二(T.Yōji)和梶田隆章(T.Kajita)領(lǐng)導(dǎo)的團隊將小柴昌俊開創(chuàng)的工作推向成熟，將大型水切倫科夫探測器技術(shù)應(yīng)用于中微子物理和天體物理研究。1998年，梶田隆章在中微子國際會議上報告超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)大氣中微子存在振蕩現(xiàn)象。該實驗是中微子振蕩存在的確鑿證據(jù)，也解決了大氣中微子反常問題。實驗顯示大氣中的中微子從源傳播到地下探測器的消失現(xiàn)象，是首個中微子振蕩證據(jù)，同時意味著中微子具有質(zhì)量。大氣中微子產(chǎn)生于初級宇宙射線與大氣的相互作用中，次級介子衰變?yōu)棣套雍蛌μ(以及反中微子)，產(chǎn)生的μ子會衰變?yōu)関μ和ve。超級神岡實驗證實，雖然探測的大氣ve數(shù)量符合期望，但觀測到的vμ與預(yù)期數(shù)量有明顯偏差(vμ變?yōu)槠渌愋椭形⒆?，是中微子能量和它從產(chǎn)生點通過地球到地下檢測器的飛行距離的函數(shù)。Kamiokande、Soudan2、MACRO、Chooz 和Palo Verde實驗也觀測到類似結(jié)果。但強有力確認來自K2K[34]和MINOS[35]加速器中微子實驗。

2001 年至2002 年，太陽中微子問題的迎來突破。加拿大的麥克唐納(A.B.McDonald)領(lǐng)導(dǎo)的SNO(Sudbury Neutrino Observatory)實驗利用1000噸重水(D2O)同時測量ve、vμ和vτ中微子，獲得三種中微子同時出現(xiàn)的證據(jù)，且三種中微子數(shù)之和與巴考爾的標(biāo)準(zhǔn)太陽模型預(yù)言一致[36]。由于太陽中的核聚變只能產(chǎn)生ve，因此新出現(xiàn)的兩種中微子只能是由ve振蕩(或其他機制轉(zhuǎn)換)而來。SNO結(jié)果與以前的“太陽中微子”實驗結(jié)果一起確定了相應(yīng)的振蕩參數(shù)。特別地，混合角實際值有力地證明太陽內(nèi)部發(fā)生MSW(Mikheev-Smirnov-Wolfenstein)物質(zhì)振蕩現(xiàn)象[37]。KamLAND反應(yīng)堆實驗利用人工中微子源發(fā)現(xiàn)中微子消失現(xiàn)象，其特性與太陽中微子消失相同，最終確認太陽中微子發(fā)生振蕩，排除了對太陽和大氣中微子消失的其他解釋。2002年，戴維斯與小柴昌俊憑借“對天體物理學(xué)的開創(chuàng)性貢獻，特別是探測宇宙中微子”共同分享諾貝爾物理學(xué)獎。在SNO和KamLAND實驗結(jié)果之后，中微子振蕩從一種可能理論變成一個定義明確的物理現(xiàn)象。2015年，梶田隆章和麥克唐納憑借在發(fā)現(xiàn)中微子振蕩方面所作的貢獻共同分享諾貝爾物理學(xué)獎。

2000 年7 月，美國費米國家實驗室的DONUT實驗宣布發(fā)現(xiàn)第三種中微子—τ中微子。三種中微子之間存在三種振蕩模式，由描述中微子振蕩的PMNS 矩陣中的三個混合角θ12、θ23和θ13描述。其中，θ23和θ12已分別由大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩測得。θ13則可通過vμ-ve和ve-ve兩種振蕩模式研究。日本T2K 和美國Nova 實驗研究第一種模式，中國大亞灣、韓國RENO 和法國Double Chooz等反應(yīng)堆實驗研究第二種模式。

關(guān)于θ13的首個非零跡象來自T2K。T2K 實驗自2010年1月開始運行，由位于日本東海的質(zhì)子同步加速器J-PARC將質(zhì)子加速到30 GeV，打靶產(chǎn)生μ中微子，并將束流對準(zhǔn)295 公里外的超級神岡探測器。當(dāng)時CERN 因故障停止運行，日本學(xué)界認為T2K 是當(dāng)時通過vμ尋找ve的最靈敏實驗。2011 年6月15 日，T2K 實驗宣稱首次觀察到vμ轉(zhuǎn)換到ve現(xiàn)象[38]。但2011年3月因地震使得加速器設(shè)施遭到破壞而被迫停止運行。在此期間，T2K實驗共探測到88個中微子事例，其中6個為電子中微子。由于束流中只有μ中微子，觀察到的電子中微子必然來自振蕩。在6個電子中微子事例中預(yù)期的本底事例為1.5 個，θ13不為零的概率為99.3%。由此確定的sin22θ13的中心值約為0.1，90%的置信區(qū)間為0.03～0.28。這等效于2.5 個標(biāo)準(zhǔn)偏差，略低于3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。此前，法國Chooz 實驗結(jié)果表明在90%置信度下，sin22θ13＜0.15。不過，T2K實驗當(dāng)時給出數(shù)據(jù)統(tǒng)計量較小，未達到確定標(biāo)準(zhǔn)，且由于是加速器實驗，振蕩幾率中有幾個未知參數(shù)，只能給出θ13值的范圍。

關(guān)于θ13最具重要意義的發(fā)現(xiàn)由中國大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗完成[39]。2012 年3 月8 日，大亞灣實驗宣布以5.2倍標(biāo)準(zhǔn)差的置信度發(fā)現(xiàn)第三種中微子振蕩模式，sin22θ13=0.092±0.016±0.005，即θ13≈8.8°±0.8°。隨后幾年，大亞灣實驗又多次更新測量結(jié)果。特別是2022年夏，大亞灣中微子實驗組在韓國首爾召開的第30 屆國際中微子與天體物理大會上最新公布了其首個采用全部數(shù)據(jù)分析的、迄今最精確的中微子振蕩測量結(jié)果(測量精度達到2.8%)，是測量θ13最精確的實驗。較大的θ13值為未來測量中微子質(zhì)量順序、宇稱和電荷對稱性破壞的中微子實驗打開大門。

大亞灣實驗的成功是中國高能物理學(xué)發(fā)展歷程的一個里程碑。這既得益于實驗組首席科學(xué)家在實驗設(shè)計和運行過程中的高效領(lǐng)導(dǎo)和組織能力以及北京正負電子對撞機和北京譜儀運行30 年所積累的人才和技術(shù)經(jīng)驗，中美科學(xué)家在探測器設(shè)計、物理分析等方面的國際合作也有助于大亞灣實驗在激烈的國際競爭環(huán)境下快速獲得可靠結(jié)果。大亞灣中微子實驗是中國首次研制的低能量、低本底、高精度的大型探測器，有力地提升相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)水平，還培養(yǎng)一批高水平青年科研人才，為中國基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。此外，科研人員和工業(yè)界聯(lián)合解決了實驗建設(shè)中涉及的分布式延遲爆破、震動檢測、大型精密儀器、化學(xué)化工、真空、高速讀出電子學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)，為江門中微子實驗奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

中微子物理研究方興未艾，且展現(xiàn)出新活力。目前，中微子物理的發(fā)展與天體物理結(jié)合形成了“中微子天文學(xué)”的新興交叉學(xué)科，在宇宙學(xué)和粒子物理領(lǐng)域扮演更重要角色。對中微子的深入理解將引領(lǐng)物理學(xué)家到達超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)領(lǐng)域，將推動理論發(fā)展。大型中微子實驗建造過程也會伴隨更多的關(guān)鍵核心技術(shù)突破，為未來高能物理實驗提供技術(shù)支持。當(dāng)前，國際上有多項實驗利用多種中微子源和探測器研究中微子特性。伴隨理論和實驗發(fā)展，物理學(xué)家將重點研究中微子質(zhì)量順序、正反物質(zhì)不對稱性并尋找惰性中微子，此外在中微子絕對質(zhì)量測量、中微子基本屬性以及利用中微子研究宇宙結(jié)構(gòu)和演化等方面有望取得新進展。

注：

1 當(dāng)時物理學(xué)界通常認為原子核由質(zhì)子和電子構(gòu)成。

2 1933 年12 月，佩蘭(F.Perrin)也獨立提出零質(zhì)量中微子“不預(yù)先存在于原子核中”和“像光子一樣在發(fā)射時被創(chuàng)造出來”的想法。

3 NRX 反應(yīng)堆位于安大略省喬克河,于1947 年7 月22 日運行,是當(dāng)時功率最高的實驗用反應(yīng)堆。

4 該講座于1946年11月20日作為加拿大國家研究委員會原子能部Chalk River Report Pd-205發(fā)布，隨后立即被美國原子能委員會列為機密，直到1949年10月8日解密。

5 反應(yīng)堆產(chǎn)生的是反中微子，當(dāng)時尚不清楚中微子和反中微子區(qū)別。

6 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bruno_Pontecorvo_and_Enrico_Fermi_1950s.jpg

7 不過后來發(fā)現(xiàn)戴維斯實驗結(jié)果無效。

8 1960 年，李政道和楊振寧也討論了高能中微子實驗的理論意義。他們的工作直接啟發(fā)了1962 年布魯克海文實驗室發(fā)現(xiàn)μ中微子實驗。

9 反應(yīng)生成的37Ar會隨著液體中充入氦氣產(chǎn)生氣泡蒸發(fā)并回收。37Ar經(jīng)過35天半衰期的特殊β衰變又變回原來的37Cl。這一衰變伴隨的離子化效應(yīng)可使用比例計數(shù)管統(tǒng)計。