[原创]大亚湾中微子实验结果解释美中不足

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[watermark]二、大亚湾中微子实验结果解释美中不足
其次，在热烈祝贺大亚湾中微子实验宣布精确测算出θ13值，证实了中微子第3种振荡模式的存在，并为揭开宇宙反物质消失之谜开辟了道路，此举使中微子物理学研究坚定地驶上了快车道，也把中国粒子物理学研究水平推向世界最前沿，甚至有观点认为王贻芳团队有望摘得诺贝尔物理学奖，我们感到很振奋的同时，也对其结果简单解释，感到有些模糊和自相矛盾的地方。
说解释模糊，是把中微子3种振荡模式和3种类型的中微子联系起来，认为在大亚湾之前已有两种被证实，相应的混合角θ12和θ23已经准确测得。大亚湾中微子实验旨在用通过不同距离探测到的中微子个数，来准确测算混合角θ13值，进而证实中微子第3种振荡模式的存在。这里模糊的是，大亚湾精确测定的从第一种类型的中微子到第三种类型的中微子之间的来回振荡，这是真的吗？
因为曹俊教授就清醒地指出，诺贝尔物理学奖中微子前两次获得诺奖，是因为发现新的中微子，第三次获诺奖是因为首次发现中微子振荡。大亚湾实验与它们相比，分量要轻。因为大亚湾能确定探测到的是哪一种中微子，或问：是否能分别出三种不同的中微子吗？曹俊回复，大亚湾只能测到一种中微子。通过反beta衰变反应，只能是电子反中微子。当然曹俊教授也指出，大亚湾实验还在继续，如果运气够好，能发现什么反常现象，得出出人意料的成果，也可能获诺奖。
那么是否因为含有θ13在揭示中微子振荡CP相位角破坏方面，有特殊重要性；特别是美国物理学会，曾在2004年在报告中将用反应堆实验，测量sin22θ13作为未来试验的“第一优先”。加之国际上在2003年以来，先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的有3个，包括中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验，都是在激烈进行的国际竞争，引起我国的过度反应呢？
1、θ13的奥秘是什么呢？在基本粒子表中，一共有三种中微子。例如，在beta衰变中产生的是电子型反中微子，因为当中子衰变成质子时，伴随产生的是电子以及反中微子，这个反中微子由于伴随电子出现被称为电子型反中微子。除了电子型中微子，还有缪子型μ中微子以及陶子型τ中微子，都和轻子（电子、缪子、陶子）有关。如果太阳中微子由电子型中微子变成其他类型的，我们就能解释短缺了。当然，如果我们能够探测到所有类型的中微子，中微子其实没有短缺。
在粒子物理中，构成物质世界的基本粒子可分为夸克、电子和中微子。其中，夸克有6种，电子有3种，中微子也有3种。中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，几乎不与其他物质作用，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。中微子有三种，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了四分之一，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中，同时扮演着极为重要的角色。
分别是电子中微子，μ中微子和τ中微子，两两之间可以相互转换。即中微子有一个特殊的性质，它的一个中微子在飞行中可以变成另一种中微子，再飞行一段距离后又变回原来的中微子。这通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式，即theta1-2振荡，theta2-3振荡，theta1-3振荡。
从上世纪60年代开始，瑞•戴维斯进行了30年的太阳中微子实验，发现了太阳中微子振荡（theta1-2振荡）。1998年，小柴昌俊领导的日本超级神岗实验用大气中微子实验数据（theta2-3振荡），证明了中微子振荡现象的存在。2002年，小柴昌俊和瑞•戴维斯分享了诺贝尔物理学奖。
为什么不同类型的中微子之间会变换？公认的解释是，所有三种类型的中微子都没有固定的质量，而它们的一些混合才有固定的质量。如果用1、2、3来标志这些有固定质量的中微子，那么不同的θ角代表不同质量中微子，与不同类型中微子之间的关系。例如，θ12 就与电子型中微子和第二个质量中微子之间的混合有关。这些混合角都是基本物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。这里我们把电子中微子、μ中微子和τ中微子，按顺序编码为θ1、θ2、θ3，以三角形的三个顶点按序定位，并以此按序标识三种中微子两两组合之间的相互振荡编码为θ12、θ23、θ13，那么：
θ12应为为电子中微子和μ中微子之间的相互振荡；
θ23应为为μ中微子和τ中微子之间的相互振荡；
θ13应为为电子中微子和τ中微子之间的相互振荡。
按王贻芳团队的解释，电子中微子和μ中微子之间相互振荡的θ12，以及μ中微子和τ中微子之间相互振荡的θ23这两种模式，自在上世纪60年代起，即有迹象。
θ12和θ23分别对应当时称作的“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。
1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡，随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。第三种振荡θ13，即电子中微子和τ中微子之间的相互振荡，则一直未被发现，甚至有理论预言，其根本不存在（即其振荡几率为零）。
2、中科院高能所2003年提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子θ13这第三种振荡，即电子中微子和τ中微子之间的相互振荡，其振荡几率用sin22θ13表示。但我们不知他们是如何推导的？也许是按曹俊教授说的：这是一个比较抽象的理论问题，中微子的振荡规律，简单地可以表示为一个能量为E的中微子，飞行距离L后，仍然是它自己的几率（存活几率）：反应堆中微子的振荡规律。但如果没有测量的话，那么它是一个量子力学的混合态，三种成份以不同几率存在，不好说它现在是哪一种中微子，只有在测量后，波函数才塌缩。
中微子在长距离飞行过程中，会发生性质的转变。这里容易出现自相矛盾的地方是：先说中微子的振荡规律，只和飞行距离L联系起来，与它当前经历穿越的物质结构和场态历史期无关，与中微子的演化进程历史期的结构和场态无关，但后又说经历太阳的中微子振荡是θ12，经历大气的中微子振荡是θ23。即有自相矛盾。
目前，无论是外国还是中国的实验人员，对数据的分析虽都认为，太阳中微子振荡θ12和大气中微子振荡θ23 都比较大，而θ13却很小。太阳中微子振荡，和在宇宙线对撞中，并不产生的τ中微子；μ中微子只是很可能变成了第三种类型的τ中微子。对大气中微子振荡数据的新分析，显示出有一种类型中微子变为另一种类型的中微子的概率的特殊图形，而得出只是此概率，与所走过的距离（L）比率，除以中微子能量（E）的正弦函数有相关。
但由此得出的这种“权威”的新公式，仅选择对走过的距离和中微子能量测量就行了吗？它就能分辨出θ12、θ23、θ13三种振荡和标识出三种不同的中微子了吗？它就是能排斥中微子与当前经历穿越的物质结构和场态历史期无关，与中微子的演化进程历史期的结构和场态无关的那种，预言振荡图形的理论了吗？就能代表了到目前为止，对质量差所进行的最精确的测量了吗？
曹俊教授对自相矛盾又模糊的解释，也许是说问题的复杂性，按量子力学的状态演化方程，中微子自己就能振荡，跟电磁波一样，不需要外力。三种中微子质量不一样，振荡频率正比它们之间的质量平方差。但迄今已观测到的无论反应堆、加速器、太阳、宇宙线及其与大气作用的中微子，其最高能量没有调研过。如果100GeV左右是Super-K看到的大气中微子的能量，那么实验已经测不准了。这不更自相矛盾又模糊吗？
曹俊教授说，裂变过程非常复杂，因此难以精确地预言反应堆到底发出了多少中微子。反应堆中微子的振荡规律公式，其中Dm231已由大气中微子实验测定，反应堆中微子的能量分布是知道的，因此可以算出振荡极大值在2公里左右。反而言之，与1的偏差就是它发生振荡，变成其它种类中微子的几率。它是随飞行距离余弦振荡的，最多有sin22q13的几率变成其它中微子。上面的公式忽略了类似的两项，而且精确定出反应堆中微子的能量也不那么容易，只不过不影响他们的描述和结论。反应堆在发电时会发出大量的中微子，它们是不稳定的裂变子核发生beta衰变后发出的。由于是衰变产生的，因此是各向同性的向四周发出，强度精确地反比于距离平方。
3、那么大亚湾能测准吗？王贻芳所长说，作为中微子实验地，大亚湾核电基地的有两个优势：一是功率名列世界第二，能提供大量反中微子；二是核电站靠近山，适于建造地下实验大厅，以屏蔽宇宙本底。在实验设计方面，通过远近点之间的相对测量，提高精度；通过同一点的多模块中微子测量，以降低系统误差并相互校验；通过多重宇宙线反符合探测器，提高效率降低误差。大亚湾中微子实验准确测算混合角θ13值，进而证实中微子第3种振荡模式的存在；在此基础上，可以通过θ13值（如果足够大）进一步测量中微子振荡中的宇称和电荷反演（CP相位角）破坏，以理解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中“反物质消失之谜”。
但这和中微子自己就能振荡，跟电磁波一样，不需要外力有关吗？即王贻芳所长梦寐以求的sin22θ13，其中的θ13就是电子中微子和τ中微子之间的相互振荡吗？不是的。因为王贻芳所长明确无误地宣布，他们发现的是电子反中微子。
只是这种电子反中微子消失的现象，才与中微子振荡的预期符合，其能谱畸变也与中微子振荡的预期符合，这才意味着发现了一种新的中微子振荡模式，其信号显著性才为5.2倍标准偏差，即测得其振幅sin22θ13为0.092。但这是否类似液体闪烁器中微子探测器和“迷你升能器中微子实验”发现的第四种类型的中微子呢？
当然sin22θ13存在与否，以及精确测量sin22θ13数值的大小，决定着中微子物理学的未来走向。而振幅sin22θ13为0.092是不是电子中微子和τ中微子之间的相互振荡，是与国际上的同类实验的比较作的标准，而不是以真实的图景作的标准。例如
2011年6月日本中微子实验测得sin22θ13大约为0.11，他们置信度也才只有2.5个标准差。而在国际上粒子物理实验以比较作的标准的中，置信度必须达到5个标准差才算“发现”。那么大亚湾核电基地的这种振荡的振幅，比预期要大得多，不怪异吗？
4、当然中微子振荡的原因，还有三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合的解释。即混合规律由六个参数决定（另外还有两个与振荡无关的相位角），分别为三个混合角θ12、θ23、θ13，两个质量平方差△m221和△m232以及一个电荷宇称相位角θcp。截至目前，θ23与△m232已通过大气中微子振荡测得，θ12与△m221亦通过太阳中微子振荡测得。如果大亚湾中微子试验真是测得的是电子中微子和τ中微子之间相互振荡的θ13值，那么在混合矩阵中，只剩下1个参数还未被确定：破缺的相位角δcp，这决定了未来中微子物理的发展方向。
1）因为在轻子部分，所有电荷宇称（CP）破缺的物理效应都含有因子θ13，故θ13的大小调控着CP对称性的破坏程度。如果它是如人们所预计的sin22θ13等于1%～3%的话，则中微子的CP相角，可以通过长基线中微子实验来测量，宇宙中物质与反物质的不对称现象可能得以解释。如果它太小，则中微子的CP相角无法测量，目前用中微子来解释物质与反物质不对称的理论便无法证实。大亚湾核电基地是sin22θ13值达到9.2%，这意味着“反物质消失之谜”可能破解
2）关于长基线中微子实验新一代的探测设备，有报道称在美国，已经有希望获批建造长基线中微子实验设施，他们将通过这一实验或能够回答：宇宙为什么是由物质组成的，而不是反物质。这一设施将产生世界上强度最高的中微子束，并将它从美国费米实验室，发送到南达科塔州的霍姆斯塔克矿中。看来国际竞争真激烈。
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