中微子研究回顾和介绍

1、中微子研究回顾和介绍杨璞摘要：本文回顾了中微子理论与试验研究的发展历程，重点介绍了中微子振荡与中微子混合矩阵方面的知识，简单介绍了大亚湾反应堆中微子实验主要目标。 关键词：中微子振荡，中微子混合矩阵1、中微子的发现20世纪20年代,物理学家发现在衰变过程中,电子的能谱是连续的, 而不像衰变、衰变那样,能谱是分立的。1930 年泡利( Pauli) 在解释这一现象时提出存在一种电中性的粒子, 自旋为12在衰变过程中与电子一同发射出来携带了一部分能量,因而使电子能谱连续。这就是最早关于中微子存在的假说。但是因为中微子是电中性的,与物质发生相互作用非常弱, 与物质相互作用截面为110-34cm2 ,

2、非常非常小, 相当于吸收长度非常非常大,大到29光年。因此中微子极难探测到, 对它的认识经历了漫长的岁月。1952年罗德拜克等人根据王淦昌的建议用K壳层电子俘获实验测量了核的反冲能量,根据能量、动量守恒定律, 给出了中微子存在的实验证据。1956 年, F. Reines 和C. Cowan 在核反应堆中通过核应.e+ pe+ + n首次观察到了中微子。中微子与电子中微子e是否相同的检验实验是在1962 年, 由Lederman ,Schwartz 和Steinberger 等人完成的。他们在布鲁克海文实验室,用15GeV 的质子束打铍靶产生介子束,介子衰变为子和中微子, 中微子通过15 吨的

3、火花室后可产生带电的,而不是电子,从而证明不同于e,为此他们获得了1988年的诺贝尔物理奖。20世纪90年代,LEP和SLC通过Z0衰变宽度的测量,证明了中微子只有三代(N=3.00±0.06) 。2000 年,费米实验室的Donut实验探测到了中微子。2、从太阳中微子丢失到中微子振荡太阳的能源来自氢核聚变, 通过反应4H+2e-4He+2e 实现的,因而产生大量的电子中微子。中微子通量为6.51010cm-2s-1。这一过程能很好地用太阳模型描述。测量太阳中微子的先驱是R. Davis。在1970年,他用615吨c2cl4作探测器,通过e+37cle-+37Ar反应,寻找放射性的3

4、7Ar原子。他终于找到了, 从而探测到了来自太阳的中微子。因此,他获得了2002 年的诺贝尔物理学奖。他们在测量太阳中微子数量时,发现探测到的中微子数量只有预期的三分之一。三分之二的太阳中微子丢失到哪里去了？一直成为一个谜, 令物理学家困惑。为了排除低能太阳中微子没有被探测到的可能,科学家对探测器不断进行改进, 设法降低探测器阈值。人们还检查了太阳模型, 并没有发现什么问题。1990 年GALLEX和SAGE 实验,通过反应e+71Gae-+71Ga再一次证明了太阳中微子的丢失现象,发现丢失了约50 %。继而又被更低阈值(水切仑科夫探测器) 的神冈实验所证实。为了解释这一丢失现象,一种被广泛认

5、可的理论是:太阳中微子自发射到地球这段距离, 一部分电子中微子转换成另一种中微子,例如中微子。这种由一种轻子到另一种轻子的转换有点像K0到K0介子的转换一样,也称振荡。2001年SNO重水探测器,利用中微子-电子散射,可以区别e+2H2p+e-以及x+2Hp+n+x两种过程。实验证明有的太阳中微子(e)转换成了其32他中微子,给出中微子振荡的有力证据。中微子振荡现象还在其他类型中微子源的实验中观察到。1998年, 日本的超级神冈实验观察到了大气中微子振荡的证据。该实验在很深的矿井下进行,探测器使用5万吨水和一万多个光电倍增管组成的切仑科夫计数器, 发现在飞行过程中丢失,转变为其它味道的中微子。

6、2000年, K2K实验也证实了加速器产生的中微子在飞行中丢失, 发生振荡。该实验是用KEK加速器产生1GeV 的束,对准超级神冈,发现在飞行250千米后丢失了30 % ,转变为其它味道的中微子。神冈探测器和IMB合作组还在1987年观察到了1987A超新星爆发时产生的中微子,为天体物理,宇宙学的研究提供了重要信息。由于神冈实验对中微子做出的贡献,该实验的创始人小柴昌俊分享了2000 年的诺贝尔物理奖。2002年, KamLAND实验也观察到了反应堆中微子(e)的振荡。该实验使用一千吨的液体闪烁体为探测器, 反应堆距探测器180千米, 发现近40%的e丢失,转变为其它味道的中微子。以上的大量实

7、验证明,中微子振荡已是千真万确的事实。3、标准模型中的中微子粒子物理在上一世纪60年代以来取得的重大进展是建立了粒子物理的标准模型。 描述粒子相互作用基本理论是标准模型。到目前为止,它被几乎所有的精确的加速器实验结果所支持。标准模型概括了物质世界是由62种粒子构成,它们之间的原始相互作用有4种。构成物质世界的62种粒子分为3类:规范玻色子、费米子、Higgs粒子。费米子共24个,分属3代,每一代费米子包含1个中微子、1个带负电轻子、3个带2/ 3电荷的夸克和3 个带- 1/ 3 电荷的夸克。弱相互作用过程中显现出来3代夸克的混合,但没有发现3代轻子之间有代的混合。3代夸克之间有代的混合的原因是

8、所有的夸克都是有静止质量的,3 代轻子之间没有代的混合的原因是中微子没有静止质量。到2002年1月1日以前对3代中微子质量直接测量值分别为：m (e) <3eV,m () <0.19MeV, CL =90 %,m () <18.2MeV, CL =95 %确实和没有静止质量是一致的。费米子的自旋在运动方向的投影称为螺旋度,如果费米子有静止质量,左旋费米子和右旋费米子可以互相转化。按照标准模型,中微子确实严格是没有静止质量的,中微子永远是左旋的,它只参与弱相互作用,它不能转化成右旋的中微子。当然反中微子永远是右旋的。如果中微子有静止质量,则右旋中微子将既不能从强相互作用或电磁相

9、互作用中产生,也不能从弱相互作用中产生,它只能由左旋中微子通过不为零的静止质量转化而成。如果中微子有即便是很微小的静止质量的一个重要后果是可以造成3代轻子之间也会有代的混合,它将表现为中微子振荡。4、中微子质量和中微子振荡1962年日本物理学家Z. Maki 等人提出了中微子振荡的概念。他们认为中微子在空间传播时会产生振荡或称混合。人们观察到的味道本征态是一个质量本征态的线性组合。每一味道成分有不同发生的频率。当距离增加时,中微子味道成分将随质量本征态相位的变化而变化。这种味道的迁移称为中微子振荡。前面已经说过,中微子有振荡的事实已被证实,因而可得出中微子质量不为零的结论,这与标准模型假定中微

10、子质量为零的假设相矛盾。这是对标准模型极大的挑战。中微子振荡也说明轻子数不守恒是存在的,这一点也是对标准模型的突破。如果中微子有质量,即使其质量很小,也就有可能带来代的混合。非常精确的加速器实验表明,自然界中存在三种中微子:电子中微子、中微子和中微子。为确定起见,讨论两代混合的情形,如果与e-相联系的中微子是e,与-相联系的中微子是,但e和都不是质量的本征态。令中微子的两个质量本征态是|1和|2。代的混合可表为：|e= cos|1+ sin|2|= - sin|1+ cos|2如果t = 0 时产生了e ,可以表为 |(0)= |e= cos|1 (0)+ sin|2 (0)经过t 时间后,态

11、演化为|(t)= cos|1 (t)+ sin|2 (t)= cose- iE(1) t|1 (0)+ sine- iE(2) t|2 (0)其中E(1)=E(2)=m1m2, E1E2,这时中微子态中就包含有的成分:|( t)= (cos2e-iE(1) t+sin2e-iE(2) t) |e+sincos(e-iE(1) t-e-iE(2) t) |这时存在的概率为：|( t)|= (1/2)sin21-cos( E(1) - E(2) ) t 22这概率随时间作振荡, 最小时为零, 最大时为sin22. 如果混合角是45°,最大时为1 ,即表现为纯态。现在实验给出的中微子的质量

12、很小,实际上远小于衰变所放出中微子的动量,即mi p ,这样：(E(1)-E(2)t=p+m122p-p-m222pt=m1-m22p22t考虑到中微子实际以光速运动, t 时间走过的距离L = t ,上式可以写作：|( t)|=sin2sin222m1-m24p22L即观察到 的概率随走过的距离作振荡. 振荡的周期长度为：4pm-m2122如果m12-m22=m2以eV2 为单位, p 以MeV为单位,则上式可表为数字式为：2.48p (MeV)m(eV)22单位为m. 从这式子可以看出,如果m2是eV2量级或更小的量,中微子振荡的周期可以是一个宏观的距离.如果中微子是通过原子核反应或衰变而

13、来的,则中微子的能量和动量是MeV 的量级,当它运动一段距离后再去和其他粒子碰撞时,其中e的成分还可以通过弱相互作用再产生电子, 的成分则应通过弱相互作用而产生子。但由于子的产生阈很高,这个过程不能发生,这样仍然只能观察到产生了电子。中微子振荡表现为产生的电子数比无振荡时要小。 5、三代中微子的混合标准模型认为中微子有三代,因此应该考虑三代中微子的混合。虽然标准模型认为中微子质量为零, 而在我们考虑中应允许中微子带有质量。我们观察到的三种中微子e，是中微子味道本征态，它是三种中微子质量本征态1 ，2 ，3（带有质量m1，m2 ，m3）的线性组合。一个的复数幺正矩阵U将味本征态和质量本征态联系起

14、来，通称U为中微子混合矩阵：e 1 0 0=U0cos23-sin231 2 3=cos13sin23 0icos23-esin13010e-isin13cos12 0 -sin12cos130sin12cos12010( )2 13 在形式上，U与称为夸克混合矩阵的CKM矩阵相似，该矩阵可以用三个混合角12 ，13，23和CP破坏相角 来表示。如果中微子是Majorana粒子，还需要加上CP破坏相角1 和2。222 我们从三种中微子的振荡测量中分别可得到m12 ，m23 ，m13 ，（三个中两个是独立的）。为了精确了解中微子振荡的定量关系和中微子的质量，我们需要通过大量实2验来精细测量混合角

15、 和质量差m2 。12 和 m12可通过太阳中微子振荡实22验；23 ，m23 可通过大气中微子振荡和加速器中微子振荡实验；13 ，m13可通过反应堆中微子振荡实验分别给出。6、大亚湾反应堆中微子实验主要目标为了得到更精确的值和m 值,确认是否存在中微子的CP 破坏,是否存在第四种中微子,这都需要更多的, 更新的数据。一些大型实验已建成, 或即将建成, 如MINOS ,OPERA ,ICARUS 和JHFnu 等。其特点是加速器束流强,能量高,可产生较多的 ,探测器尺寸较大,质量大,探测中微子效率高,分辨率高。在三个混合角中大家十分关心13 的值, 因其是混合矩阵重要的参数之一, 其值很小,测量的难度也增加了。目前给出的精度很差。只有精确地确定13值才能给出完整的U 矩阵, 才可以了解与CKM 矩阵的区别。13的大小与中微子CP 破坏直接有关,对了解中微子是否存在