发现中微子振荡

报告，实验以确凿的证据发现了大气中微子振荡。

超级神冈探测器分别测量了来自于探测器上方和下方的u中微子事例。由于地球大气层的球对称性，如果中微子在传播中没有发生变化，来自上下两个方向的中微子应该相同。但是，实验显示中微子事例存在很明显的上下不对称，来自下方的中微子明显变少了。这表明大气中微子在穿过整个地球时消失了，消失的比例和中微子能量以及穿过的距离有关，与中微子振荡模型的理论预测一致。后续的研究表明丢失的u中微子绝大部分都转换成了T中微子。1998年超级神冈探测器的结果不依赖于大气中微子的理论计算，并且在一定程度上也不依赖探测器的误差，以确凿的证据证明中微子振荡的存在。科学家最终相信自然界确实存在中微子振荡现象，1998年也被称为“中微子振荡元年”，标志着中微子研究黄金时代的到来。

因为超级神冈探测器发现大气中微子的振荡现象，棍田隆章获得2015年度诺贝尔物理学奖。而小柴昌俊的另一个学生户塚洋二在2008年因病逝世，错失获奖机会。

SNO探测器：扫清持续34年的阴霾

为了寻找太阳中微子失踪的答案，并最终验证太阳模型理论计算的正确性，太阳中微子实验需要进行独立于太阳模型的全新观测。首先找到问题解决方案的是华人物理学家陈华森（Herbert Hwa Chen）。受神冈探测器用纯水作为探测媒介的启发，陈华森于1984年提出使用重水探测太阳中微子的方案，并从开始阶段就作为发言人领导SNO探测器的设计。使用重水不仅能测量到达地球的电中微子数目，还可以同时测量所有类型中微子的总和，从而可以对是否存在中微子从电子型到其他类型的转换给出确定的结论。非常不幸的是陈华森于1987年因病逝世，错失继续领导并建造SNO探测器的机会。1987年后，加拿大人麦克唐纳开始领导SNO探测器项目。

SNO探测器从1990年开始动工建设，1999年5月建成并开始运行。该探测器位于加拿大萨德伯里地下2公里的一处废弃镍矿内，直径30米的地下探测器大厅内安放有直径12米的有机玻璃球型探测器，探测器内装有1000吨重水，并安装1万个光电倍增管作为光信号探测单元。

2001-2002年，SNO探测器首次观测到电中微子和所有类型中微子的数目，结果表明所有中微子的总和与太阳模型预测的一致。其中电中微子只相当于总量的35%，其他的65%为y中微子和T中微子。

由于太阳核聚变只能产生电中微子，因此SNO探测器结果表明。在中微子传播过程中，电中微子并没有真正失踪，而是转变为另外两种类型的中微子。至此，困扰科学家34年的“太阳中微子失踪之谜”最终解决了。由于SNO探测器能够直接比较电中微子和全部中微子，它首次在独立于太阳模型的条件下证明中微子振荡效应的存在。因为SNO探测器发现太阳中微子的振荡现象，麦克唐纳获得2015年度诺贝尔物理学奖。

中微子振荡：理论的解释

粒子物理的标准模型预测中微子是无质量的粒子，也不存在发生中微子类型转化的振荡效应。中微子振荡效应的存在表明中微子具有非零质量以及存在混合效应，进一步表明粒子物理的标准模型是不完备的，需要在某些方面进行扩充以满足中微子振荡效应。

1957年，受K介子振荡现象的启示，蓬捷科尔沃提出中微子与反中微子之间转化的可能性。1968年，在得知戴维斯的太阳中微子实验结果后，蓬捷科尔沃提出不同类型中微子之间发生转化的振荡理论。

中微子振荡是一种基本粒子问的宏观量子相干现象。发生相互作用的中微子态，即前面提到的不同类型的中微子，和传播过程的中微子态之间存在混合现象，而产生和探测过程中的中微子态是不同质量的中微子态的相干叠加。在传播过程中不同质量的中微子态具有不同的传播相位，由于中微子传播相位的差别，初态产生过程和末态探测过程的中微子态也就存在不同。从产生到探测过程，中微子发生了不同类型间的转换。

大气中微子的振荡现象可以用u中微子到T中微子的振荡来解释。太阳中微子振荡具有进一步的复杂性。由于太阳内部的物质密度很大，中微子和物质相互作用可以改变传播过程的中微子混合的大小，并且改变的程度与中微子能量相关。这就可以解释不同能量的太阳中微子发生不同的振荡行为，并且和前面提到的不同类型实验的太阳中微子消失幅度不同相一致。

反应堆实验后来居上

1998年超级神冈探测器发现大气中微子振荡现象，2002年SNO解决太阳中微子失踪之谜，中微子研究开启了黄金时代。一时间，很多实验都开始中微子振荡的测量，包括太阳中微子和大气中微子实验、反应堆中微子实验以及加速器中微子实验。其中，反应堆中微子实验对我们理解中微子振荡行为起到了关键作用。

日本的KamLAND（Kamioka Liquid ScintillatorAnti-Neutrino Detector）是为了验证太阳中微子振荡而设计的反应堆中微子实验装置。探测器位于原来神冈中微子探测器的旧址。2002年12月，KamLAND首次公布了一年实验的测量结果，发现中微子在传播过程中也发生了失踪现象，并且失踪中微子的比例与太阳中微子的振荡行为相符。此后KamLAND利用更多的数据，在2004年首次观测到不同能量中微子的振荡行为，并直接给出反应堆中微子的振荡曲线。

太阳中微子和大气中微子的振荡代表两种不同的中微子振荡模式，而理论预测中微子还存在第三种振荡模式，其振荡行为依赖于全新的中微子参数的大小直接决定中微子振荡中电荷宇称破坏的幅度，是利用中微子解释宇宙物质反物质不对称的必要条件。我国的大亚湾反应堆中微子实验在这方面做出了开创性贡献。大亚湾实验的远点探测器建造在距离反应堆2公里处，用来研究反应堆中微子的振荡行为。此外，大亚湾实验还在距离反应堆300-500米的地方放置了另外两组探测器，用以监测反应堆发出的原初中微子数目。2012年3月，利用远近点探测器之间的直接对比，实验首次给出第三种振荡模式存在的证据，并测量了中微子参数的大小，为后续中微子物理的研究打通了康庄大道。

结束语

从1998年开始，中微子振荡的研究蓬勃发展：展望未来，中微子领域还有若干未解之谜等待科学家去解决，最关键的问题包括测量中微子的质量顺序以及电荷宇称破坏相位等。

我国新一代的江门反应堆中微子实验就是为解决中微子质量顺序问题而建造的。在质量顺序测量方面，还有韩国的REN050、印度的INO、美国在南极建造的PINGU以及法国在地中海建造的ORCA等实验。另一方面。电荷宇称破坏相位的测量是未来加速器长基线中微子实验的首要目标，在这个领域有日本的超超级神冈探测器（Hyper-Kamiokande）和美国的LBNF/DUNE加速器中微子实验。可以预期未来20年中微子物理的研究将持续蓬勃发展。将会有更多中微子的秘密被揭开，期待我国对中微子感兴趣的年轻人踊跃加入这个令人心潮澎湃的科学领域。

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