編者按：北京時間今天（10月6日）下午，2015諾貝爾物理學獎頒給加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納和日本物理學家梶田隆章，以表彰他們通過中微子振蕩發(fā)現中微子有質量這一研究成果。在過去10多年里，諾貝爾物理學獎已經多次頒給中微子研究，那么中微子是什么？中國科學家在這個領域有哪些成就？中山大學李淼教授的這篇文章部分回答了這些問題。

2012年2 月 29 號，我來到紐約州立大學石溪分校西蒙斯幾何和物理中心，參加非常理論的超弦討論會，而不意在 3 月 7 號聽到來自歐洲的關于希格斯粒子實驗的消息（其實是美國費米實驗室的結果），在 3 月 8 號聽到來自中國關于中微子實驗的消息。來自中國的消息，第一次讓中國人為本土的科學成績所感動。

中微子在過去半年中，數次占據了科學新聞的頭條。先是 2011 年 9 月 23 號，從意大利格朗索薩（Gran Sasso）地下實驗室，傳來中微子超光速的震撼新聞，接著在同年 11 月份得到進一步消息。不過，也就是在我來美國前不久，意大利的實驗發(fā)現了兩個漏洞，一個和連接原子鐘的光纖有關，一個和原子鐘本身有關。這兩個漏洞使得中微子超光速的結論變得毫不可信了。部分人興奮，部分人失落。到底中微子的速度超了光速沒有？我們需要等到今年 5 月份，歐洲核子中心重新啟動加速器，產生意大利實驗室需要的中微子，才能知道最后結果。

世界各地中微子實驗的近況

其實，除了中微子超光速新聞之外，2011 年不斷地從其他實驗組傳來關于中微子參數測量的消息。例如，6 月 15 號，日本 T2K 中微子實驗，發(fā)表了中微子 13 混合角的測量結果（T2K 是 Tokai-to-Kamioka 的縮寫，即從東海到神岡的中微子實驗）。他們看到， sin22θ13 大約等于 0.11，置信度有 2.5 個標準差。也就是說，這個數值不為 0 的置信度略小于 99%。我們知道，在粒子物理實驗中，置信度必須達到 5 個標準差才算發(fā)現，也就是說置信度必須達到 99.9999%！ 即使如此，T2K 中微子實驗結果，被歐洲的物理世界列為 2011 年十大物理突破的第 7 位。

那么， sinθ13 到底是什么？這得從太陽中微子短缺說起。上世紀 60 年代末，科學家發(fā)現，來自太陽的中微子數目，比當時的粒子理論預言的要少。人們認為，這是因為部分中微子變成其他類型的中微子，這就是所謂的 “中微子振蕩現象”。在基本粒子表中，一共有 3 種中微子。例如，在 β 衰變中產生的是 “電子型反中微子”——當中子衰變成質子時，伴隨產生的是電子以及反中微子，這個反中微子由于伴隨電子出現，被稱為電子型反中微子。除了電子型中微子，還有 “繆子型中微子” 以及 “陶子型中微子”，都和輕子（電子、繆子、陶子）有關。如果太陽中微子由電子型中微子變成其他類型的，我們就能解釋太陽中微子的短缺了。當然，如果我們能夠探測到所有類型的中微子，中微子其實沒有短缺。

那么，為什么不同類型的中微子之間會變換，就像川劇變臉呢？最簡單的解釋就是，所有 3 種類型的中微子都沒有固定的質量，而它們的一些混合才有固定的質量。如果我們用 1、2、3 來標志這些有固定質量的中微子，那么不同的 θ 角代表，不同質量中微子與不同類型中微子之間的關系。例如， θ12 就與電子型中微子和第二個質量中微子之間的混合有關。這些混合角都是基本物理學常數，在深層次上，與宇宙中的物質起源有關。

中微子通過大氣時也會振蕩，叫 “大氣中微子振蕩”。太陽中微子振蕩和大氣中微子振蕩實驗明確告訴我們， θ12 和 θ23 都比較大，而 θ13 卻很小。這個角到底是不是零或者到底有多小？一直是沒有解決的問題。從去年到今年 1 月份，一共有 3 個實驗得到了不等于零的值，但置信度都不高。這 3 個實驗包括前面提到的 T2K 實驗，還有美國的 MINOS 實驗以及法國的 Double Chooz 實驗。前兩個實驗中的中微子都是加速器產生的，而 Double Chooz 實驗中的中微子是核反應堆產生的。Double Chooz 測到的 sin22θ13 是 0.086，比 T2K 的結果稍小，而 MINOS 實驗測到的值最小，只有 0.04。雖然這 3 個實驗結果差別比較大，但由于實驗精度不高，還不算互相矛盾。

中方主導的大亞灣中微子實驗

位于中國的大亞灣中微子實驗成立于 2006 年，主要由中國人組成，是一個國際合作實驗，包括 38 個單位，292 人。其中，主要力量來自中國科學院高能物理研究所，共有 80 人。其次就是位于長島的布魯克海文國立實驗室，共有 23 人。除了中國和美國，還有來自香港和臺灣地區(qū)的合作者。中方領導人是現任高能物理研究所所長王貽芳。當王貽芳開始領導這個實驗時，他還是副所長。我記得一次在餐桌上，他說，他堅持中方主導。我當時想，這是正確的，如果實驗不幸失敗或落后于其他幾個實驗，他要負責；但如果實驗成功了，中國人的貢獻最大。大亞灣實驗的優(yōu)勢在于除了核電站外，那里的地形適合屏蔽其他粒子。

大亞灣中微子實驗中方投資不到 2 億人民幣，分別來自科技部、科學院、基金委以及廣東地方。位于大亞灣核電站一共有 6 個核反應堆，而中微子實驗有 3 個地下實驗室，其中兩個靠近反應堆（分別為 470 米和 576 米），一個遠離反應堆，距離為 1648 米。3 個實驗室中共有 6 個重百噸的反中微子探測器，近的有 3 個，遠的有 3 個。近探測器探測到的中微子數目，與遠探測器探測到的中微子數目會有不同，這個不同可以用來測量反中微子 “消失” 率，從而計算出混合角 。

從 2011 年 12 月 24 號開始，到 2012 年 2 月 17 號這 55 天收集到的數據中，實驗組發(fā)現，近探測器共探測到 80376 個反中微子，而遠探測器只探測到 10416 個中微子。經過計算，他們得到 sin22θ13 = 0.092，而置信度高達 5.2 個標準差，也就是說，實驗明確告訴我們這個參數值不為零。前面我們說過，盡管其他 3 個實驗組也發(fā)現 不為零，這些測量只能算證據，不能算發(fā)現，因為精度太低。

這也許是在中國本土首次測量到的基本物理學參數，我們一點也不過分地說，這是中國對基礎物理學最大的貢獻。在 2012 年 3 月 8 號下午的新聞發(fā)布會上，一位來自華盛頓大學的物理學家說： “我的一位著名美國同事說，這是首次來自中國的對物理科學的實質性貢獻。” 這里，我向中國同行們表示祝賀。 

遠點實驗廳 EH3（地下 340 米） （圖片：曹俊，blog.sciencenet.cn）