编者按：北京时间10月6日下午，2015诺贝尔物理学奖颁给加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章，以表彰他们通过中微子振荡发现中微子有质量这一研究成果。在过去10多年里，诺贝尔物理学奖已经多次颁给中微子研究，那么中微子是什么？中国科学家在这个领域有哪些成就？由此，编者特意找出大亚湾中微子实验项目的资料并节录中山大学李淼教授的文章，以期能回答关于中微子的部分问题。

中微子是什么？

中微子是一种不带电，质量极其微小的基本粒子，共有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了四分之一，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质，即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。其中两种模式自60年代起即有迹象，当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡，随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在（即其振荡几率为零）。

2012年3月，大亚湾中微子实验发现了第三种中微子振荡模式，并测量到其振荡几率。这一中国诞生的重大物理成果，开启了未来中微子物理发展的大门，在全球科学界引起热烈反响，入选美国权威学术杂志《科学》评选的2012年十大科学突破，被称为“诺贝尔奖级别”的重大发现。

2015年9月11日，继发现轰动世界科学界的中微子新的震荡模式后，大亚湾中微子实验项目又在《物理评论快报》发表了中微子测量的最新结果，将中微子混合角θ13和中微子质量平方差的测量精度都提高了近一倍，为世界最高精度。

（以下内容节选自李淼教授的文章）

2012年2 月 29 号，我来到纽约州立大学石溪分校西蒙斯几何和物理中心，参加非常理论的超弦讨论会，而不意在 3 月 7 号听到来自欧洲的关于希格斯粒子实验的消息（其实是美国费米实验室的结果），在 3 月 8 号听到来自中国关于中微子实验的消息。来自中国的消息，第一次让中国人为本土的科学成绩所感动。

中微子在过去半年中，数次占据了科学新闻的头条。先是 2011 年 9 月 23 号，从意大利格朗索萨（Gran Sasso）地下实验室，传来中微子超光速的震撼新闻，接着在同年 11 月份得到进一步消息。不过，也就是在我来美国前不久，意大利的实验发现了两个漏洞，一个和连接原子钟的光纤有关，一个和原子钟本身有关。这两个漏洞使得中微子超光速的结论变得毫不可信了。部分人兴奋，部分人失落。到底中微子的速度超了光速没有？我们需要等到今年 5 月份，欧洲核子中心重新启动加速器，产生意大利实验室需要的中微子，才能知道最后结果。

世界各地中微子实验的近况

　　其实，除了中微子超光速新闻之外，2011 年不断地从其他实验组传来关于中微子参数测量的消息。例如，6 月 15 号，日本 T2K 中微子实验，发表了中微子 13 混合角的测量结果（T2K 是 Tokai-to-Kamioka 的缩写，即从东海到神冈的中微子实验）。他们看到， sin22θ13 大约等于 0.11，置信度有 2.5 个标准差。也就是说，这个数值不为 0 的置信度略小于 99%。我们知道，在粒子物理实验中，置信度必须达到 5 个标准差才算发现，也就是说置信度必须达到 99.9999%！ 即使如此，T2K 中微子实验结果，被欧洲的物理世界列为 2011 年十大物理突破的第 7 位。

反应堆中微子的振荡规律。（图片：曹俊. 《大亚湾中微子实验结果的简单解释》/科学网博客）

那么， sinθ13 到底是什么？这得从太阳中微子短缺说起。上世纪 60 年代末，科学家发现，来自太阳的中微子数目，比当时的粒子理论预言的要少。人们认为，这是因为部分中微子变成其他类型的中微子，这就是所谓的 “中微子振荡现象”。在基本粒子表中，一共有 3 种中微子。例如，在 β 衰变中产生的是 “电子型反中微子”——当中子衰变成质子时，伴随产生的是电子以及反中微子，这个反中微子由于伴随电子出现，被称为电子型反中微子。除了电子型中微子，还有 “缪子型中微子” 以及 “陶子型中微子”，都和轻子（电子、缪子、陶子）有关。如果太阳中微子由电子型中微子变成其他类型的，我们就能解释太阳中微子的短缺了。当然，如果我们能够探测到所有类型的中微子，中微子其实没有短缺。

那么，为什么不同类型的中微子之间会变换，就像川剧变脸呢？最简单的解释就是，所有 3 种类型的中微子都没有固定的质量，而它们的一些混合才有固定的质量。如果我们用 1、2、3 来标志这些有固定质量的中微子，那么不同的 θ 角代表，不同质量中微子与不同类型中微子之间的关系。例如， θ12 就与电子型中微子和第二个质量中微子之间的混合有关。这些混合角都是基本物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。

中微子通过大气时也会振荡，叫 “大气中微子振荡”。太阳中微子振荡和大气中微子振荡实验明确告诉我们， θ12 和 θ23 都比较大，而 θ13 却很小。这个角到底是不是零或者到底有多小？一直是没有解决的问题。从去年到今年 1 月份，一共有 3 个实验得到了不等于零的值，但置信度都不高。这 3 个实验包括前面提到的 T2K 实验，还有美国的 MINOS 实验以及法国的 Double Chooz 实验。前两个实验中的中微子都是加速器产生的，而 Double Chooz 实验中的中微子是核反应堆产生的。Double Chooz 测到的 sin22θ13 是 0.086，比 T2K 的结果稍小，而 MINOS 实验测到的值最小，只有 0.04。虽然这 3 个实验结果差别比较大，但由于实验精度不高，还不算互相矛盾。

中方主导的大亚湾中微子实验

大亚湾反应堆中微子实验位于深圳市大亚湾核电基地，为中广核与中科院合作开展的世界级物理研究项目。

大亚湾中微子实验成立于 2006 年，主要由中国人组成，是一个国际合作实验，包括 38 个单位，292 人。其中，主要力量来自中国科学院高能物理研究所，共有 80 人。其次就是位于长岛的布鲁克海文国立实验室，共有 23 人。除了中国和美国，还有来自香港和台湾地区的合作者。中方领导人是现任高能物理研究所所长王贻芳。当王贻芳开始领导这个实验时，他还是副所长。我记得一次在餐桌上，他说，他坚持中方主导。我当时想，这是正确的，如果实验不幸失败或落后于其他几个实验，他要负责；但如果实验成功了，中国人的贡献最大。大亚湾实验的优势在于除了核电站外，那里的地形适合屏蔽其他粒子。

大亚湾中微子实验项目地上外景（limiao.net）

大亚湾中微子实验中方投资不到 2 亿人民币，分别来自科技部、科学院、基金委以及广东地方。（中广核为该项目提供了实验场所和水电、消防等各方面便利条件并承担了部分研究经费，开创了中国企业资助、支持和参与国际大型基础研究实验项目的先例。）大亚湾核电站一共有 6 个核反应堆，而中微子实验有 3 个地下实验室，其中两个靠近反应堆（分别为 470 米和 576 米），一个远离反应堆，距离为 1648 米。3 个实验室中共有 6 个重百吨的反中微子探测器，近的有 3 个，远的有 3 个。近探测器探测到的中微子数目，与远探测器探测到的中微子数目会有不同，这个不同可以用来测量反中微子 “消失” 率，从而计算出混合角 。

从 2011 年 12 月 24 号开始，到 2012 年 2 月 17 号这 55 天收集到的数据中，实验组发现，近探测器共探测到 80376 个反中微子，而远探测器只探测到 10416 个中微子。经过计算，他们得到 sin22θ13 = 0.092，而置信度高达 5.2 个标准差，也就是说，实验明确告诉我们这个参数值不为零。前面我们说过，尽管其他 3 个实验组也发现 不为零，这些测量只能算证据，不能算发现，因为精度太低。

这也许是在中国本土首次测量到的基本物理学参数，我们一点也不过分地说，这是中国对基础物理学最大的贡献。在 2012 年 3 月 8 号下午的新闻发布会上，一位来自华盛顿大学的物理学家说： “我的一位著名美国同事说，这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。” 这里，我向中国同行们表示祝贺。

大亚湾近点实验厅 EH1（地下 100 米）。两个直径 5 米、高 5 米、重 110 吨的中微子探测器成功安装在巨型水池之中，水池已逐步灌满超纯水。水池壁上安装着光电倍增管，通过探测宇宙线穿过水后产生的切伦科夫光，去除宇宙线对中微子探测的干扰。（图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）

岭澳近点实验厅 EH2（地下 100 米） （图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）

远点实验厅 EH3（地下 340 米） （图片：曹俊，blog.sciencenet.cn）

本文转载自中山大学天文与空间科学研究院院长李淼博客，原标题为《来自中国的物理学突破》，发布时间为 2012 年 3 月 9 日