地下实验室与中微子物理

1、地下实验室与地下实验室与中微子物理中微子物理杨长根杨长根1. 1. 科学目标及非加速器物理发展态势科学目标及非加速器物理发展态势 粒子物理学取得了巨大的成功粒子物理学取得了巨大的成功: : 迄今为止，所有实验测量的结果都与标准模迄今为止，所有实验测量的结果都与标准模型的预言一致，有的精度达到型的预言一致，有的精度达到1010-5-5 但是但是: : 作为基本理论的框架，它是不完整的，有作为基本理论的框架，它是不完整的，有1919个参数需要测量，有许多基本问题不能回答，个参数需要测量，有许多基本问题不能回答，包括：为什么费米子的质量延伸包括：为什么费米子的质量延伸10101111？CPCP破坏破

2、坏的起因的起因? ? 为什么有三代结构？超对称性和大为什么有三代结构？超对称性和大统一理论需要实验检验，但加速器能量的提统一理论需要实验检验，但加速器能量的提高距此要求相差很大。高距此要求相差很大。大爆炸理论获得了巨大的成功大爆炸理论获得了巨大的成功 最新的最新的WMAPWMAP的数据预言了宇宙的最的数据预言了宇宙的最终命运：宇宙的形成为终命运：宇宙的形成为137137亿年，误差亿年，误差为为1%1%。大爆炸两亿年后开始有星球形成，。大爆炸两亿年后开始有星球形成，而且宇宙将永远膨胀下去，而且宇宙将永远膨胀下去， WMAPWMAP给出给出最新的宇宙质量能量组成比是：重子物最新的宇宙质量能量组成比

3、是：重子物质占质占4%4%，暗物质占，暗物质占23%23%，暗能量占，暗能量占73%73%。微观和宇观的统一微观和宇观的统一 理论理论: : Theory of EverythingTheory of Everything 实验实验: : 加速器物理加速器物理 天体观测天体观测 非加速器物理非加速器物理: : 地面实验地面实验 地下实验地下实验(CPU)11(CPU)11个基本的问题个基本的问题: : 1.1.什么是暗物质什么是暗物质? ?2.2.什么是暗能量什么是暗能量? ? 3. 3.宇宙如何起始的宇宙如何起始的? ? 4. 4.爱因斯坦有关引力的遗言爱因斯坦有关引力的遗言? ?5.5.中

4、微子的质量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？中微子的质量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？ 6.6.宇宙线的起源和加速机制宇宙线的起源和加速机制 ? ?7.7.质子是稳定的吗？质子是稳定的吗？ 8.8.极端高温和高密下是否有新物质态极端高温和高密下是否有新物质态? ? 9. 9.还有其它维的时空吗还有其它维的时空吗? ?10.10.铁以上核的形成铁以上核的形成? ?11.11.极高能量下是否需要新的有关物质和光的理论极高能量下是否需要新的有关物质和光的理论? ?宇宙线物理与加速器物理互补宇宙线物理与加速器物理互补1)1) 可以产生并且加速多种粒子：可以产生并且加速多种粒子： 射线、中微子、

5、射线、中微子、带电轻子、质子、氦和重核，还可能有奇异事带电轻子、质子、氦和重核，还可能有奇异事例。例。2)2) 能谱很宽，从低能热辐射至能谱很宽，从低能热辐射至10102020eVeV的稀有事例。的稀有事例。3)3) 不同距离的研究，从地球尺度，河内到河外距不同距离的研究，从地球尺度，河内到河外距离。离。4)4) 极端状态的研究，从高温高密的中子星到黑洞。极端状态的研究，从高温高密的中子星到黑洞。5)5) 最有意义的物理在于宇宙线中包含了我们从未最有意义的物理在于宇宙线中包含了我们从未想到的东西，原因在于宇宙线中蕴含有基本规想到的东西，原因在于宇宙线中蕴含有基本规律所付与的信息，这些信息需要物

6、理学家去解律所付与的信息，这些信息需要物理学家去解读。读。地下实验室的应用地下实验室的应用: :1).1).低本底，弱信号观测，具有发现新物理的潜力低本底，弱信号观测，具有发现新物理的潜力2).2).高于加速器能量的宇宙线研究高于加速器能量的宇宙线研究3).3).核物理、材料技术、微生物和地球科学。核物理、材料技术、微生物和地球科学。 国外从六十年代起陆续开始建立地下实验室国外从六十年代起陆续开始建立地下实验室: : Homestake, Gran Sasso, Kamiokande, Soudan, SNO , 如今大多都获得重大成果。如今大多都获得重大成果。一般都涉及多个研究方向一般都涉及

7、多个研究方向, ,反复使用反复使用, , 成为非成为非加速器物理实验研究的大平台。加速器物理实验研究的大平台。2.2. 地下实验室物理地下实验室物理2.1 2.1 长基线中微子振荡实验长基线中微子振荡实验物理目标：物理目标： 2100 2100 KmKm建立中微子振荡的框架结构；建立中微子振荡的框架结构； 测量中微子质量测量中微子质量的的HierarchyHierarchy； 测量中微子的物质效应；测量中微子的物质效应；对混合矩阵的元给出测量和限定；对混合矩阵的元给出测量和限定； 对轻子家族的对轻子家族的CPCP破坏给出测量或限定；破坏给出测量或限定； 中微子振荡的测量是一个很复杂的物理，它等

8、同于夸克中微子振荡的测量是一个很复杂的物理，它等同于夸克物理中物理中CKMCKM矩阵的测量，需要多个不同的探测器，不同矩阵的测量，需要多个不同的探测器，不同基线长度的测量，主要的物理目标包括：基线长度的测量，主要的物理目标包括：1 1）建立中微子振荡的框架结构，）建立中微子振荡的框架结构， a a）P(P( e e e e) +P() +P( e e )+ )+ P(P( e e ) )，b) P(b) P( e e)+ P()+ P( ) +P() +P( ) )普通的中微普通的中微子束流能够对情形子束流能够对情形 b)b)给出测量，给出测量， 情形情形a a）的测量，包括）的测量，包括 e

9、 e ，只能通过中微子工厂实现。只能通过中微子工厂实现。2 2）测量中微子质量的模式，质量差）测量中微子质量的模式，质量差 m m23232 2的符号只能通过测量的符号只能通过测量 e e 穿穿过物质时振荡几率与过物质时振荡几率与 m m23232 2的符号有关而得到，这是超过的符号有关而得到，这是超过20002000公公里的超长基线中微子振荡实验的独特物理。里的超长基线中微子振荡实验的独特物理。3 3）验证中微子通过物质的）验证中微子通过物质的MSWMSW效应，这对天文中微子的观测和计算效应，这对天文中微子的观测和计算是重要的。是重要的。4 4）对混合矩阵的元给出测量和限定，而且这些测量一致

10、性的验证）对混合矩阵的元给出测量和限定，而且这些测量一致性的验证也是非常重要的，也是非常重要的， e e 束流就提供了独立于束流就提供了独立于 束流的另一套测量束流的另一套测量结果。结果。5 5）对轻子家族的）对轻子家族的CPCP破坏给出测量值或限定，这个精确的测量是现破坏给出测量值或限定，这个精确的测量是现有普通中微子束流的精度所达不到的，因而有普通中微子束流的精度所达不到的，因而CPCP破坏值只能通过破坏值只能通过中微子工厂给出。中微子工厂给出。CP and mass hierarchy国际合作获得中微子束流的可能性国际合作获得中微子束流的可能性q 对中微子工厂做研究的有美国、欧洲对中微子

11、工厂做研究的有美国、欧洲（CERNCERN）、日本三家）、日本三家. .日本对中微子工厂的努力日本对中微子工厂的努力已经逐渐有了显示度，基于已经逐渐有了显示度，基于FFAG(Fixed Field FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)Alternating Gradient)原理进行原理进行 子贮存环的子贮存环的研究可以减小对强场梯度的要求，因而可以节约研究可以减小对强场梯度的要求，因而可以节约贮存环的成本，而且已经在建设的贮存环的成本，而且已经在建设的J-PARCJ-PARC可以进可以进一步节省前级强流质子加速器的费用。一步节省前级强流质子加速器的费用

12、。 q 在过去的三年里，我国与日本同行就有关长在过去的三年里，我国与日本同行就有关长基线中微子振荡的实验进行了广泛的交流，分别基线中微子振荡的实验进行了广泛的交流，分别各自成立了研究组，完成了两篇报告各自成立了研究组，完成了两篇报告. . q 同样重要的是我们建立中微子的探测器，这同样重要的是我们建立中微子的探测器，这样也就加大了争取束流指向的可能性。如样也就加大了争取束流指向的可能性。如: : CERN CERN to Gran Sassoto Gran Sasso,KEK to Super K,KEK to Super KCERN Layout for Factory2.2 2.2 用反应

13、堆产生的中微子测量用反应堆产生的中微子测量 1313 到目前为止，实验上测量的中微子混合角中都是大到目前为止，实验上测量的中微子混合角中都是大混合角，只有混合角，只有 1313的值很小的值很小 ; ; 1313大小与大小与CPCP破坏成正比，破坏成正比，而而CPCP破坏的大小对解决物质与反物质世界不对称之迷是破坏的大小对解决物质与反物质世界不对称之迷是重要的。反应堆测量直接与重要的。反应堆测量直接与 1313有关，不与其它参数相有关，不与其它参数相简并，相关性也很小。简并，相关性也很小。 大陆、台湾、香港同行们正开始考虑以三方为主的大陆、台湾、香港同行们正开始考虑以三方为主的国际合作，探讨在国

14、内利用广东大丫湾反应堆进行实验国际合作，探讨在国内利用广东大丫湾反应堆进行实验的可能性。在距大丫湾发电站约的可能性。在距大丫湾发电站约1 1公里的岭东正在新建公里的岭东正在新建另一个发电站，预计它们的总功率将达到另一个发电站，预计它们的总功率将达到18GW18GW，比现有，比现有世界上大部分的地点具有明显的优越性。这提供了一个世界上大部分的地点具有明显的优越性。这提供了一个近期开展目前非常有意义的中微子物理研究的机会。近期开展目前非常有意义的中微子物理研究的机会。 Matter and Anti-MatterEarly UniverseThey basically have all annih

15、ilated away except a tiny difference between them10,000,000,00110,000,000,000MatterAnti-matterLeptogenesis You generate Lepton Asymmetry first. Generate L from the direct CP violation in right-handed neutrino decay L gets converted to B via EW anomaly More matter than anti-matter We have survived “T

16、he Great Annihilation”(N1iH) (N1iH) Im(h1jh1khlk*hlj*)大亚湾反应堆中微子大亚湾反应堆中微子( (继续继续?)?)更精确的测量更精确的测量? ?HLMA HLMA 建议建议: : 基线长度基线长度: 19.5: 19.5公里公里 1) LMA-II 1) LMA-II ： m m21212 2 1.2-2.01.2-2.01010-4-4eVeV2 2 2) 2) 2-42-41010-4-4eVeV2 2， 对对 m m2323的符号敏感？的符号敏感？基线长度基线长度: 90: 90公里公里 在在KAMLANDKAMLAND测得的第一极大位

17、置精确测量测得的第一极大位置精确测量 1212和和 m m21212 2 ？2.3 2.3 其它的中微子物理其它的中微子物理1). 1). 太阳中微子太阳中微子2). 2). 双双 衰变衰变3). 3). 大气中微子实验大气中微子实验1). 1). 太阳中微子太阳中微子 对中微子质量平方差的灵敏度可到对中微子质量平方差的灵敏度可到 m m2 2 1010-12-12eVeV，这，这个数值是地球上中微子实验的好几个数量级，未来实验个数值是地球上中微子实验的好几个数量级，未来实验累积足够的累积足够的pppp太阳中微子数据将给出最好的太阳中微子数据将给出最好的 1212和和 m m12122 2的的

18、测量值；中微子在太阳中穿过了测量值；中微子在太阳中穿过了 10101010g/cmg/cm2 2的物质，它的物质，它与物质的相互作用可以增大振荡的几率（与物质的相互作用可以增大振荡的几率（MSWMSW物质效物质效应），因此低能太阳中微子的测量将给出应），因此低能太阳中微子的测量将给出LMALMA解的验证。解的验证。中微子（中微子（pppp和和7 7BeBe）的精确测量将进一步限定）的精确测量将进一步限定 e e到到 s s的耦的耦合，因为即使合，因为即使 s s与其它中微子有很小的耦合也会在宇宙与其它中微子有很小的耦合也会在宇宙学中有很大的影响；太阳中微子测量的探测器还是一个学中有很大的影响；

19、太阳中微子测量的探测器还是一个极好的超新星探测器；太阳中微子的测量还对太阳物理极好的超新星探测器；太阳中微子的测量还对太阳物理检验提供重要依据，对了解太阳内部核反应链的周期活检验提供重要依据，对了解太阳内部核反应链的周期活动非常重要，未来太阳中微子的探测器期望能够测量弹动非常重要，未来太阳中微子的探测器期望能够测量弹性散射和带电流的相互作用，测量精度为性散射和带电流的相互作用，测量精度为1-3%1-3%，要求能，要求能够区分到达的中微子的味道。够区分到达的中微子的味道。SNO comes to the rescue Charged Current:e Neutral Current: e+ 5

20、.3s difference , are coming from the Sun!CC1.76 0.05 0.09106cm2sec1NC 5.09 0.430.44 0.430.46106cm2sec1Wrong Neutrinos Only e produced in the Sun Wrong Neutrinos, are coming from the Sun! Somehow some of e were converted to , on their way from the Suns core to the detector neutrino oscillation!2). 2)

21、. 双双 衰变衰变 确定中微子是否是确定中微子是否是MajoranaMajorana型，如果是，轻子型，如果是，轻子数守恒被破坏；中微子振荡只能确定中微子间是否有数守恒被破坏；中微子振荡只能确定中微子间是否有质量差，但不能确定中微子质量的标度，双质量差，但不能确定中微子质量的标度，双 衰变最衰变最有可能给出中微子的质量标度值；轻子数破坏的双有可能给出中微子的质量标度值；轻子数破坏的双 衰变，和衰变，和CPCP破坏联合有可能帮助我们理解重子数的起破坏联合有可能帮助我们理解重子数的起源；如果存在双源；如果存在双 衰变，那么将是一个很重要的核衰衰变，那么将是一个很重要的核衰变模式，影响到其它多达变模

22、式，影响到其它多达5050个的稳定核，双个的稳定核，双 衰变促衰变促进了核结构理论的发展。进了核结构理论的发展。 双双 衰变寿命的下限限定，平均每两年提高衰变寿命的下限限定，平均每两年提高2 2倍，倍，也有双也有双 衰变的摩尔定理成立。衰变的摩尔定理成立。Seesaw Mechanism Why is neutrino mass so small? Need right-handed neutrinos to generate neutrino mass, but R SM neutral:LRmDmDMLRmmD2M mDTo obtain m3(m2atm)1/2, mDmt, M3101

23、5GeV (GUT!)Grand Unification electromagnetic, weak, and strong forces have very different strengths But their strengths become the same at 1016 GeV if supersymmetry To obtain m3(m2atm)1/2, mDmt M31015GeV!Neutrino mass may be probing unification:Einsteins dreamM33). 3). 大气中微子实验大气中微子实验 随角度的不同，中微子穿过的距离

24、可以从随角度的不同，中微子穿过的距离可以从1010公里公里至至1300013000公里不等，对公里不等，对GeVGeV能量的中微子，能量的中微子，L/EL/E测量的测量的范围为范围为1-101-105 5公里公里/ /GeVGeV，对，对 m m2 2的测量灵敏度到的测量灵敏度到1010-4-4eVeV2 2，而且从上到下和从下到上的中微子间可以做自洽检验；而且从上到下和从下到上的中微子间可以做自洽检验；通过大气中微子的测量可以测量中微子的振荡模式，通过大气中微子的测量可以测量中微子的振荡模式，测量测量 出现（出现（Super KSuper K的结果支持的结果支持 振荡）振荡）；验验证地球的物

25、质效应；可以测量几个证地球的物质效应；可以测量几个GeVGeV的中微子与核的中微子与核作用的响应函数和裂变产生，这对核结构理论，超新作用的响应函数和裂变产生，这对核结构理论，超新星和太阳中微子问题是有意义的。星和太阳中微子问题是有意义的。A half of lost!2.4 2.4 宇宙学和天体物理宇宙学和天体物理1). 1). 暗物质暗物质2). 2). 超新星中微子探测超新星中微子探测3). 3). 核天体物理核天体物理1). 1). 暗物质暗物质微波背景辐射和大尺度结构的精确测量使我们不微波背景辐射和大尺度结构的精确测量使我们不得不接受宇宙中充满了暗能量和暗物质的事实。得不接受宇宙中充满

26、了暗能量和暗物质的事实。物质成分的比例远远超过重子物质强烈地说明存物质成分的比例远远超过重子物质强烈地说明存在有非重子的物质成份，这些物质产生于早期热在有非重子的物质成份，这些物质产生于早期热宇宙中，现在作为一个物质背景而存在，对宇宙宇宙中，现在作为一个物质背景而存在，对宇宙膨胀和大尺度结构产生影响。膨胀和大尺度结构产生影响。 WIMP + nucleus WIMP + nucleus Measure the nuclear recoil energy Suppress backgrounds enough to be sensitive to a signal, or. Search for

27、 an annual modulation due to the Earths motion around the Sun2). 2). 超新星中微子探测超新星中微子探测 银河系内的超新星爆发频率为每银河系内的超新星爆发频率为每3030年一个。超新年一个。超新星的理解对天体物理的很多方面都是很关键的，在星系星的理解对天体物理的很多方面都是很关键的，在星系的长时间演化中，超新星爆发提供了重要的能量来源。的长时间演化中，超新星爆发提供了重要的能量来源。一般地认为一半的重核形成于质子中子星中的快速中子一般地认为一半的重核形成于质子中子星中的快速中子俘获，另一半与超新星形成的激波加热有关，或者说爆俘获

28、，另一半与超新星形成的激波加热有关，或者说爆炸形成了核。炸形成了核。 19871987A A中微子事例的测量表明重质量星发生坍缩，中微子事例的测量表明重质量星发生坍缩，随后质子中子星（随后质子中子星（protoneutronprotoneutron）冷却这个粗略图像是）冷却这个粗略图像是对的，释放的中微子能量约为对的，释放的中微子能量约为3 3x10 x105353尔格，冷却时间约尔格，冷却时间约3 3毫秒。这些数据还对许多粒子和天体物理给出许多重要毫秒。这些数据还对许多粒子和天体物理给出许多重要的约束，包括对中微子质量和磁矩的约束，包括异常的的约束，包括对中微子质量和磁矩的约束，包括异常的冷

29、却机制，比如轴子和大质量冷却机制，比如轴子和大质量DiracDirac中微子的约束，甚中微子的约束，甚至包括超维理论。至包括超维理论。超新星中微子探测（超新星中微子探测（Cont.)Cont.) 超新星可以产生各种味道的中微子。由于高密度，超新星可以产生各种味道的中微子。由于高密度，因此在核内部形成中微子陷阱，又由于温度和作用的不因此在核内部形成中微子陷阱，又由于温度和作用的不同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此对中微子同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此对中微子的测量可以研究中微子的振荡效应，物质效应，超新星的测量可以研究中微子的振荡效应，物质效应，超新星机制；当质子中子星冷却时，有

30、可能坍缩成为黑洞，对机制；当质子中子星冷却时，有可能坍缩成为黑洞，对应的中微子光变曲线发生截断；同时对引力波，光学和应的中微子光变曲线发生截断；同时对引力波，光学和中微子信号的测量可以对超新星的坍缩机制形成多方的中微子信号的测量可以对超新星的坍缩机制形成多方的约束。约束。 除了水契伦柯夫探测器、液闪和液氩探测器外，也可除了水契伦柯夫探测器、液闪和液氩探测器外，也可以有较便宜的采用铅基的探测器，通过以有较便宜的采用铅基的探测器，通过208208PbPb(e e,e,e- - ) )208208 BiBi 发射一到两个中子测带电流作用，通过发射一到两个中子测带电流作用，通过208208PbPb(x

31、 x, , x x ) )208208 Pb Pb发射发射n n，2n2n或者或者测中性流相互作用，也可测中性流相互作用，也可以用放射化学的方法做类实时的测量，如以用放射化学的方法做类实时的测量，如127127I (I (e e,e,e- - ) )127127 Xe Xe 。Structure of Supernova Neutrino SignalNeutrino Mass from Early Black Hole Formation3). 3). 核天体物理核天体物理 测量恒星系统演化不同阶段的静态核燃烧过程、测量恒星系统演化不同阶段的静态核燃烧过程、时间跨度和爆炸的起始状态时间跨度和

32、爆炸的起始状态, ,新星的核合成，新星的核合成，X X射线爆射线爆和超新星。核天体物理模型精度的提高要求截面测量和超新星。核天体物理模型精度的提高要求截面测量精度的提高。太阳标准模型对中微子流强的计算需要精度的提高。太阳标准模型对中微子流强的计算需要确定确定pppp链的反应率，链的反应率，CNOCNO反应截面，特别是氦燃烧的反应截面，特别是氦燃烧的反应反应1212C( C( , , ) ) 1616O O 对对类超新星的起源和演化有重类超新星的起源和演化有重要的作用，反应截面的测量对建立要的作用，反应截面的测量对建立SNIaSNIa标准烛光的定标准烛光的定量模型非常重要。由于极低的事例率，在地

33、面测量有量模型非常重要。由于极低的事例率，在地面测量有很大的本底。因此在地下建立一个加速器实验室进行很大的本底。因此在地下建立一个加速器实验室进行反应截面的测量将具有极大的竞争能力。反应截面的测量将具有极大的竞争能力。 2.5 2.5 质子衰变质子衰变 最新测量的中微子质量模式隐含了存在最新测量的中微子质量模式隐含了存在0.30.3x10 x101515GeVGeV右手右手MajoranaMajorana中微子的中微子的SeesawSeesaw机制，机制，能量标度与大统一能量相符。但大统一理论最直能量标度与大统一能量相符。但大统一理论最直接的预言是核子衰变为轻子物质，如电子和介子，接的预言是核

34、子衰变为轻子物质，如电子和介子，显 示 夸 克 轻 子 的 统 一 性 和 轻 子 起 源显 示 夸 克 轻 子 的 统 一 性 和 轻 子 起 源(Leptogenesis(Leptogenesis) )的概念。的概念。 探测器将是百万吨的水契伦柯夫探测器或大探测器将是百万吨的水契伦柯夫探测器或大规模的液氩探测器。百万吨的探测器同时可以进规模的液氩探测器。百万吨的探测器同时可以进行长基线中微子振荡测量、测量行长基线中微子振荡测量、测量CPCP破坏，可以进破坏，可以进行大气、太阳和超新星中微子的实验。行大气、太阳和超新星中微子的实验。The Future: A Megatonne Detector?2.6 2.6 其它学科