四获诺贝尔物理学奖的中微子研究将走向何方
10月6日,2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟•麦克唐纳[1],以表彰他们发现中微子振荡,证明中微子有质量。这是中微子研究获得的第4个诺贝尔物理学奖,前3个分别为: 1988年,发现第二种中微子(即缪中微子)的美国科学家莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格;1995年,发现电子中微子的美国科学家莱因斯;2002年,发现太阳中微子和超新星中微子的美国科学家雷蒙德•戴维斯和日本科学家小柴昌俊。
为什么诺贝尔奖如此青睐中微子?《科学》杂志在公布2012年度十大科学突破时指出:如果大型强子对撞机(LHC)的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子,那么中微子物理可能就是粒子物理的未来[2]。中微子是一种基本粒子,不带电,能够几乎不受干扰地穿过物质。已知的中微子有3种:电子中微子,缪中微子和陶中微子。在标准模型中,中微子是没有质量的。而中微子振荡的发现说明中微子有质量,这是目前发现的唯一有坚实实验证据超出标准模型的现象。
2015年8月,《自然》杂志发表文章《中微子时代:破译神秘粒子的计划成形》[3]指出,4项前所未有的实验将有助于揭开中微子的神秘面纱,它们是正在建设中的中国江门中微子实验(JUNO)和印度中微子天文台(INO),以及还在计划中的美国深地下中微子实验(DUNE)和日本超超级神冈实验(Hyper-K)。文章还指出,中微子研究的3大问题是:中微子质量顺序是什么?宇宙中的反物质为什么这么少?惰性中微子是否存在?
此外,美国和欧洲的最新粒子物理学战略都把中微子研究列为未来10-20年的优先领域之一。2013年5月的欧洲粒子物理战略的4大最高优先级领域之一是制定中微子计划并研究参与到美国和日本的长基线中微子项目的可能性。2014年5月的美国粒子物理学战略计划将“研究与中微子质量相关的物理学”列为5大优先领域研究之一,研究内容包括:中微子质量的起源是什么?中微子质量顺序是什么?中微子的绝对质量是多少?中微子振荡和反中微子振荡有什么不同?是否有其他类型的中微子和相互作用?中微子是否其自身的反粒子?
表1 国际4项重要的中微子实验的概况
实验 名称 |
状态 |
研究内容 |
研究设施 |
经费/亿美元 |
时间 |
江门中微子实验 | 建设中 |
测定中微子质量顺序,精确测量中微子混合参数,同时开展超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子等研究 |
位于地下700米的地下洞室,包括一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器 |
3.3 |
2014年底开始建设,2019年底建成 |
印度中微子天文台 | 建设中 |
确定中微子的质量和混合参数,也将用于物理学、生物学、地质学等领域的其他研究 |
建在地下1.3千米深处,其内将放置一个5万吨的磁化铁量热计中微子探测器 |
2.33 |
2015年开始建设,2020年试验采集数据 |
美国深地下中微子实验 | 计划中 |
把费米实验室的粒子加速器产生的中微子发送到1300千米外的斯坦福地下研究设施(SURF),确定中微子的质量顺序,发现中微子振荡和反中微子振荡是否有什么不同 |
位于约1.5千米深的地下,建立1万吨的液氩探测器 |
10 |
可能在2017年开始建设, 2023年开始采集数据 |
日本超超级神冈实验 | 计划中 |
将探测来自295千米外日本质子同步加速器(J-PARC)的中微子束流。研究中微子振荡、核子衰变和天体物理中微子 |
第3代水切伦科夫探测器,是超级神冈探测器的25倍,可容纳100万吨高纯度的水 |
8 |
可能在2018年开始建设,2025开始采集数据 |
(黄龙光)