中微子研究进程及未来实验研究(3),物理教学论文

　　三、中微子振荡的现状与未来
　　
　　在标准的中微子振荡理论中，还有质量顺序和CP破坏相角需要测量，也需要确定混合角

是否偏离45度。它们不仅仅影响中微子振荡的大小、引导中微子味结构的更深层理论解释，质量顺序还决定了无中微子双贝塔衰变实验的前景，CP破坏相角的大小也是宇宙起源与演化必须解决的关键问题。对中微子混合参数的精确测量将使检验混合矩阵的幺正性、窥探新物理成为可能。
　　
　　目前仍在运行的中微子振荡实验中，反应堆中微子实验有大亚湾、韩国RENO、法国Double Chooz,大气中微子有日本Super-K,太阳中微子有Super-K和意大利BOREXINO,加速器中微子实验有日本T2K和美国NOv A.三个反应堆中微子实验的主要物理目标是进一步提高混合角

测量精度，对未来测量质量顺序和CP破坏具有重要意义。大气与太阳中微子实验主要在改进已有结果，没有重大的物理目标。
　　
　　T2K实验与K2K类似，也使用超级神冈作为远端探测器，但中微子源换成了295千米外的日本散裂中微子源（J-Parc）的中微子束流。2011年T2K观测到了缪中微子束流中电子中微子的出现，最早给出了混合角

值，意外地给出了最大CP破坏的迹象，CP相角为270度。
　　
　　NOv A实验利用费米实验室的加速器产生中微子，在810千米外的明尼苏达州建立5万吨的液体闪烁体探测器，最初的主要目标是测量，同混合角

时有一定几率测量质量顺序和CP破坏。2007年开始建造，2014年建成。刚投入运行的NOv A实验给出了与T2K同样的最大CP破坏迹象，同时倾向于正的质量顺序。如果这两个参数确实位于这种使CP破坏极大的组合，这两个实验将能在几年内在3倍标准偏差的置信度下给出初步的结论。
　　
　　大亚湾实验发现混合角

值远大于预期，表明用现有技术就可以测量质量顺序和CP破坏，从而为未来的中微子研究铺平了道路，多个新的中微子实验已被批准或正在申请，包括中国的江门中微子实验（JUNO），美国DUNE,日本Hyper-K,印度INO,韩国RENO-50,美国在南极的PINGU,法国在地中海的ORCA等。
　　
　　江门中微子实验位于江门开平市，距阳江和台山核电站各53千米，以两万吨液体闪烁体作为中微子探测介质，实验厅位于地下700米。2013年正式批准立项，2015年开始建设，预计2020年建成开始运行。通过精确测量反应堆中微子能谱的变形，将在6年内确定质量顺序到3~4倍标准偏差的水平，也将以好于1%的精度测量多个中微子振荡参数，探测超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子等。韩国RENO-50与江门实验的方案与目标非常相似，但还未获批准。
　　
　　大气中微子可以用来确定质量顺序。印度的INO实验已被批准，但灵敏度不高。南极州“冰立方”实验体积为1 km3,即10亿吨，它可以探测到大气中微子，但能量阈值太高，不能探测对质量顺序最灵敏的7 Ge V左右的缪中微子。因此，美国计划在“冰立方”的中心重新建一个光电倍增管更密集，能探测到更多光子，因而能量阈值更低的实验，叫PINGU,其有效质量100万~1000万吨。3年的数据量可以测量质量顺序到3倍标准偏差以上。类似的实验还有法国在地中海的ORCA实验，实验方法和灵敏度都与PINGU相似。这两个实验尚未批准，但有较强竞争力。
　　
　　继超级神冈之后，日本计划在原址旁新建超超级神冈（Hyper-K），质量从5万吨提升到100万吨。计划2025年建成。它可以通过大气中微子测量中微子质量顺序，对大部分参数空间都能测量到3倍标准偏差以上。也可以探测来自295 km外日本散裂中微子源（J-Parc）的中微子束流，测量CP破坏。
　　
　　美国的DUNE实验经过多年的讨论和重新优化设计，已于今年正式成立合作组，计划2025年建成。DUNE实验计划采用4万吨液氩作为中微子探测的靶材料，已被批准的方案为1万吨。它将测量1300千米外费米实验室的加速器中微子，从而可以对中微子质量顺序和CP破坏现象做出高精度测量。对CP破坏较大的一半参数空间DUNE在10年内可将质量顺序确定到5倍标准偏差，对另一半参数空间则为2~5倍标准偏差。
　　
　　通过这些新的实验，预期未来的10到20年，我们能完成对中微子振荡的研究。
　　