中微子新振蕩：中國物理學界能否摘諾獎

諾貝爾物理學獎得主李政道給大亞灣中微子實驗組負責人發來的賀信。

　　這是在沒有灌裝閃爍液之前的圓柱形反中微子探測器內部照片。該探測器用于捕捉反中微子產生的微弱閃光。高靈敏的光電倍增管排列在探測器的壁上。

　　由于粒子物理學在破解宇宙之謎中具有特殊重要地位，所以該研究領域的每一項重大進展都天然地具有爆炸性，而近期相關“重磅”消息更是接連傳出：先是歐洲大型強子對撞機“撞”出“中微子超光速”，挑戰愛因斯坦“相對論”。接著歐洲核子研究中心宣布，所謂“中微子超光速”可能是由于實驗光纜松動導致的“烏龍”。再接著，美國費米實驗室宣布，相關實驗數據分析獲進展，接近證實物質“質量之源”、“上帝粒子”希格斯波色子的存在。最后就是日前廣東大亞灣發現新的中微子振蕩。

　　與“中微子運動能否超光速”和“希格斯波色子是否存在”依然懸而未決相比，我國科研人員主導的大亞灣中微子實驗發現的新的中微子振蕩模式已經獲得世界物理學界的廣泛認可和高度評價。這無疑是令國人振奮的好消息，甚至有評價指出，中國物理學界有望憑此貢獻問鼎諾貝爾獎。

　　“我在此宣布大亞灣中微子實驗的最新實驗結果：發現了電子反中微子消失現象，該現象與中微子振蕩的預期符合，其能譜畸變也與中微子振蕩的預期符合，這就意味著發現了一種新的中微子振蕩模式，其信號顯著性為5.2倍標準偏差，并測得其振幅sin22θ13為0.092。”向媒體發布上述消息時，大亞灣中微子實驗國際合作組發言人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳帶著科學家特有的嚴謹，為了說明測量數據的和計算結果的準確性，他現場的PPT演示文稿中不時列出“復雜”的運算公式。

　　一直以來，全世界高能物理學家都夢想精確測量sin22θ13數值，因為其存在與否、數值大小決定著中微子物理學的未來走向。然而在上述大亞灣中微子實驗結果沒有出來之前，研究實驗沒有取得實質性突破。盡管2011年6月，日本中微子實驗測得sin22θ13大約為0.11，置信度只有2.5個標準差，而在粒子物理實驗中，置信度必須達到5個標準差才算“發現”。

　　為什么大亞灣中微子實驗能夠做到精確測量呢？王貽芳將此次突破歸結為選址優勢和獨特的實驗設計。他解釋說，作為中微子實驗地，大亞灣核電基地的優勢體現在兩個方面，一是功率名列世界第二，能提供大量反中微子；二是核電站靠近山，適于建造地下實驗大廳，以屏蔽宇宙本底。在實驗設計方面，通過遠近點之間的相對測量提高精度，通過同一點的多模塊中微子測量以降低系統誤差并相互校驗，通過多重宇宙線反符合探測器提高效率，降低了誤差。

　　“祝賀你們準確測算θ13值……”

　　“熱烈祝賀你們在θ13值上的新發現……”

　　王貽芳團隊的成果贏得了國際物理學界的廣泛關注和普遍贊譽，世界頂尖物理學家和著名物理研究機構紛紛發來賀電，這是中國近現代物理學發展史少有的景象。正如賀電所說的那樣，王貽芳團隊完成了困擾國際物理學界多年的sin22θ13值精確測算，證實了中微子第3種振蕩模式的存在，并為揭開宇宙反物質消失之謎開辟了道路。

　　然而要科學認識王貽芳團隊實驗成果的意義，必須從中微子振蕩和中微子混合角θ13談起。中微子共有3種類型，并可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，即中微子振蕩。原則上應有3種振蕩模式，之前已有兩種被證實，相應的混合角θ12和θ23已經準確測得。大亞灣中微子實驗旨在通過不同距離探測到的中微子個數來準確測算混合角θ13值，進而證實中微子第3種振蕩模式的存在。在此基礎上，可以通過θ13值（如果足夠大）進一步測量中微子振蕩中的宇稱和電荷反演（CP相位角）破壞，以理解宇宙中物質-反物質不對稱現象，即宇宙中“反物質消失之謎”。

　　“這種振蕩的振幅比預期要大得多，使我們能夠很好地準備下一代物理實驗，解決中微子振蕩中另外兩個問題：中微子質量順序和中微子振蕩中是否有宇稱和電荷反演破壞。”王貽芳說。

　　鑒于θ13在揭示中微子振蕩CP相位角破壞的特殊重要性，美國物理學會曾在2004年在報告中將用反應堆實驗測量sin22θ13作為未來試驗的“第一優先”。國際上在2003年以來，先后有7個國家提出了8個實驗方案，最終進入建設階段的有3個，包括中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。在激烈的國際競爭中，王貽芳領導的大亞灣實驗團隊克服了重重困難，完成了探測器的建造與安裝、實驗數據的獲取、刻度、修正和數據分析等，率先取得重大成果。此舉“使中微子物理學研究堅定地駛上了快車道”，同時也把中國粒子物理學研究水平推向世界最前沿。甚至有觀點認為王貽芳團隊有望摘得諾貝爾物理學獎。

　　上述觀點當然有其根據，實際上諾貝爾物理學獎分外青睞中微子研究領域，已經產生3個諾貝爾物理學獎。但中科院高能所實驗物理中心曹俊研究員清醒地指出，諾貝爾物理學獎一般是給意想不到的發現的，前兩次獲得諾獎是因為發現新的中微子，第三次獲諾獎是因為首次發現中微子振蕩。與它們相比，這個實驗分量要輕，能被美國《科學》雜志評為今年的10大科技突破，但可能夠不上諾獎。當然，曹俊也表示，大亞灣實驗還在繼續，如果運氣夠好，能發現什么反常現象，得出出人意料的成果，也可能獲諾獎。

　　中微子振蕩的原因是三種中微子的質量本征態與弱作用本征態之間存在混合。混合規律由六個參數決定（另外還有兩個與振蕩無關的相位角），分別為三個混合角θ12、θ23、θ13，兩個質量平方差△m221和△m232以及一個電荷宇稱相位角θcp。截至目前，θ23與△m232已通過大氣中微子振蕩測得，θ12與△m221亦通過太陽中微子振蕩測得。大亞灣中微子試驗測得θ13值，因此，在混合矩陣中，只剩下1個參數還未被確定：破缺的相位角δcp。

　　θ13的數值大小決定了未來中微子物理的發展方向。在輕子部分，所有電荷宇稱（CP）破缺的物理效應都含有因子θ13，故θ13的大小調控著CP對稱性的破壞程度。如果它是如人們所預計的sin22θ13等于1%～3%的話，則中微子的CP相角可以通過長基線中微子實驗來測量，宇宙中物質與反物質的不對稱現象可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角無法測量，目前用中微子來解釋物質與反物質不對稱的理論便無法證實。令人欣喜的是sin22θ13值達到9.2%，這意味著“反物質消失之謎”可能破解。