中微子研究进程及未来实验研究(2)

　　二、发现中微子振荡
　　
　　标准模型中中微子质量为零，实验上也确实没有发现任何质量偏离零的现象。不过，庞蒂科夫（B.Pontecorvo）、牧（Z. Maki）、中川（M. Nakagawa）、坂田（S. Sakata）等人在二十世纪五六十年代提出，假如中微子有小到难以察觉的质量，且质量本征态与味道本征态之间存在混合，就会出现中微子振荡现象，即一种中微子在飞行中能自发变成其他种类的中微子。本质上这是一种量子干涉现象。通过弱作用产生的中微子味道本征态（比如电子中微子），可看做是不同质量本征态的叠加。由于中微子质量极其微小，在接近光速的长距离飞行中，不同质量本征态能一直保持相干而不退耦，从而在宏观上表现出振荡现象。
　　
　　中微子振荡最早由戴维斯（R. Davis）在探测太阳中微子时发现迹象。20世纪60年代末他首次探测到了来自太阳的中微子，证实了太阳能量来自核聚变，被授予2002年诺贝尔奖。此后进一步的测量发现，探测到的太阳中微子比预期少，仅为三分之一，被称为“太阳中微子丢失之谜”.1988年，梶田隆章（T.Kajita）与他的两位导师小柴昌俊（M.  Koshiba）和户冢洋二（Y. Totsuka）在神冈实验中发现大气中微子也比预期少，被称为“大气中微子反常”.由于实验数据精度不高，以及对中微子振荡理解不深，这两个实验迹象未被普遍接受为中微子振荡的证据。
　　
　　1987年神冈实验与美国IMB实验探测到超新星中微子，小柴昌俊因此与戴维斯分享了2002年诺贝尔奖。更大的超级神冈实验得以于1991年开始建造，1996年完成。探测器采用了5万吨纯净水，13000个20英寸光电倍增管。超级神冈的科学目标包括太阳中微子、大气中微子、质子衰变等，后来还用做加速器中微子实验K2K/T2K的远端探测器。
　　
　　来自太空的原初宇宙射线在地球大气层中会产生大量的粒子，包括我们通常说的宇宙线缪子，也包括其他带电粒子，以及大量中微子。后者称为大气中微子，包括电子中微子、缪中微子以及他们的反粒子。神冈实验发现大气中微子中的缪中微子与电子中微子的比值比预期少。1998年，超级神冈实验精确测量了两种中微子个数与能量、方向的关系，发现缪中微子丢失的几率和它的传播距离和能量有关，这正是中微子振荡的关键证据。因此，超级神冈以确凿的证据发现了大气中微子的振荡。
　　
　　为了解决“太阳中微子丢失之谜”,SNO实验采用加州大学陈华森建议的方法，用重水同时探测三种中微子。该实验位于加拿大萨德伯里地下2千米的一处废弃镍矿中，直径30米的地下探测器大厅内安放有直径12米的有机玻璃球型探测器，探测器内装有一千吨的重水，并安装1万个光电倍增管作为光信号探测单元。实验从1990年开始动工建设，1999年5月实验建成开始运行。
　　
　　中微子在重水中可以有三种不同的反应：带电流、中性流、弹性散射过程。带电流只对电子中微子敏感，中性流对三种中微子同等敏感，而弹性散射对三种中微子都敏感，但电子中微子的反应截面是另外两种中微子的6倍。2001年SNO发现太阳中微子中的电子中微子确实丢失了，与超级神冈实验探测到的太阳中微子结果相结合，基本证实太阳中微子转变成了其他种类的中微子。2002年，SNO测得了全部三种中微子的流强，发现总流强与预期一致，给出了中微子转换的确凿证据，同时证明了太阳标准模型的正确。
　　
　　2002年， 铃 木 厚 人（A.  Suzuki） 领 导 的Kam LAND实验通过探测日本和韩国几十个反应堆发出的中微子，首次发现反应堆中微子的消失现象，其消失的幅度与太阳中微子测量结果一致。与此同时，西川公一郎（K. Nishikawa）领导的K2K实验，使用超级神冈作为远端探测器，测量250千米外日本高能所（KEK）加速器产生的中微子，首次观测到了加速器中微子振荡现象，其振荡行为与大气中微子振荡一致。这样，太阳和大气中微子振荡现象分别得到了反应堆和加速器等人工中微子源的验证。
　　
　　中 微 子 振 荡 由6个 参 数 描 述， 太 阳 中 微 子振 荡 确 定 了 其 中 的 一 组 参 数位于哪个象限。
　　
　　2003年左右，中微子振荡现象已得到实验确立，寻找与混合角相关的第三种振荡模式成为研究的焦点。以前的近距离反应堆实验法国CHOOZ和美国Palo Verde,未能发现该振荡，因此这个混合角远小于另外两个，其具体数值的大小将决定中微子物理的发展方向。国际上先后提出八个反应堆中微子实验，以及多个加速器中微子实验，最终有三个反应堆中微子实验和两个加速器中微子实验进入实验建设阶段，包括中国的大亚湾、韩国的RENO以及法国的DoubleChooz等三个反应堆中微子实验，以及日本T2K和美国NOv A两个加速器中微子实验。
　　
　　大亚湾反应堆中微子实验坐落在我国广东省深圳的大亚湾核电站内，于2007年开始建设，2011年底投入运行。2012年3月，大亚湾实验以超过五倍标准偏差的置信水平率先给出了第三种振荡模式存在的证据，并精确测量了中微子参数的大小。其后得到另外两个反应堆中微子实验Double Chooz和RENO以及加速器中微子实验的证实，从而完善了中微子振荡的标准框架。