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2020年3月7日星期六变脸—中微子振荡李淼中国科学院理论物理研究所InstituteofTheoreticalPhysicsCAS2012.04.062020年3月7日星期六什么是中微子?中微子是是基本粒子家族的一员。研究基本粒子规律的物理理论叫粒子物理学。粒子物理学经过物理学家从上世纪60年代末到现在的努力,建立了标准粒子物理理论。中微子,物理学家用希腊字母ν来标记。2020年3月7日星期六什么是粒子物理学?研究物质基本组成部分的基本相互作用的学科。基本粒子的概念随着研究不断改变:质子和中子曾经被认为是基本粒子,现在不是了,夸克、轻子、光子等才是。2020年3月7日星期六粒子物理的标准模型:基本单元2020年3月7日星期六基本相互作用1、电磁相互作用2、弱相互作用3、强相互作用2020年3月7日星期六中微子是参与两种相互作用1、弱相互作用2、万有引力2020年3月7日星期六中微子的发现:Beta衰变的过程中,有能量损失,1930年,Pauli说,只要存在一个没有质量的粒子,就可以解释能量和动量的损失。最初,Pauli称这种粒子为中子,但中子很快为另一个新发现的粒子冠名了,Fermi就用了意大利语Neutrino来称呼中微子(littleneutralone)。2020年3月7日星期六PauliFermi1934年,费米提出著名的四粒子相互作用解释Beta衰变,论文被Nature拒绝,遂从理论该做实验。2020年3月7日星期六直到1956年,中微子一直是一种假设中的粒子。1956年,Cowan和Reines用200升水探测到从核反应堆产生的中微子。中微子和水中的质子发生反应:2020年3月7日星期六他们不能直接看到生成物中子和正电子。正电子先和水中的电子湮灭成高能光子,后者可以被探测到:另一产物中子可以被其他原子核俘获放出光子。但Cowan和Reines用氯化镉中的镉来探测中子:2020年3月7日星期六Cowan于1974年去世,而Reines因这项发现直到1995年才获得诺贝尔物理学奖。ClydeCowanFredReines2020年3月7日星期六电子型中微子,从预言到发现,物理学家用了26年。1940中期,由于类似电子的另一个带电粒子缪子的存在,有人推测缪中微子也存在,直到1962年才被Lederman,Schwartz和Steinberger发现,因此获得1988年度诺贝尔物理学奖。2020年3月7日星期六1975年,有一个类似电子的陶子被发现,于是人们预期陶中微子也应该存在。2000年7月,费米实验室专门为探测陶中微子设计的DONUT实验探测到了陶中微子。至今,人们发现了三种中微子(三种味):2020年3月7日星期六中微子的重要特点:1、没有电荷2、很轻,具体有多轻不清楚,根据宇宙学实验,不会超过1ev(1ev是质子质量的10亿分之一,大约是克。)3、几乎不和物质发生相互作用。太阳发出的中微子在地球上的流量是每秒每平方厘米650亿,绝大多数穿地球而过。2020年3月7日星期六现在我们知道,不仅存在三种中微子,这三种中微子之间还一直在做变脸游戏!2020年3月7日星期六这是为什么?因为,中微子虽轻,但有质量,这是第一个原因。2020年3月7日星期六第二个原因,它们不具备固定的质量!,具备固定质量的是这三种中微子的量子混合状态。2020年3月7日星期六数学上,一个种类的中微子与三个固定质量的中微子之间的关系是线性的,可以表达为:其中,当中微子在真空中运动时,每个固定质量的中微子遵循薛定谔方程的方式传播,所以,一个固定味的中微子会转变成其他味的混合。2020年3月7日星期六用方程来表达就是其中,L是中微子传播的距离,m是三个固定质量。如果,我们用来探测中微子的探测器只能探测其中一种中微子,我们就会发现这种中微子的数目变了,并且,在不同的地方数目不一样。很明显,数学上要求质量不同,数目才会变。2020年3月7日星期六简单的数学考虑U必须是么正矩阵。也就是说,原则上有9个参数。假定只有两种中微子。此时,我们2乘2的么正矩阵只有4个参数。但是,不论不同味的中微子还是不同质量的中微子,都有一个自由的相因子在计算中不重要。也就是说有四个相因子不重要,但只有三个是独立的,这样,真正有物理作用U矩阵的参数只有一个。我们可以要求2乘2的U矩阵是实正交矩阵。2020年3月7日星期六这样:中微子振荡公式就是:我们看到,最大振荡的效果在2020年3月7日星期六回到三种中微子的情况。这时,传统上U矩阵又叫PMNS矩阵(历史来源后面解释)。PMNS矩阵有有9个参数,但我们可以随意规定三种味的相因子和三种质量中微子的相因子,同样,这6个相因子中只有5个是独立的。这样,U矩阵中9个参数中5个可以被重取相因子去掉,只有4个独立参数了。2020年3月7日星期六PMNS矩阵可以通过如下想像构造:如果是实正交矩阵,那么就有三个参数,这三个参数可以想像为绕三个不同轴的转动。例如,绕第三个轴的转动就是混合,相应的角叫。2020年3月7日星期六类似还有。第四个参数是相因子,这和中微子是复函数有关。比如,想像在绕第二个轴转动时,我们同时让在相反的方向加一个相因子。这个相因子就是第四个参数。这个参数与CP破坏有关,后面再讲。2020年3月7日星期六最后,PMNS矩阵表达成其中2020年3月7日星期六中微子振荡的历史和实验证据首先,早在有任何实验证据之前,意大利物理学家、前苏联间谍(1950年投奔苏联)BrunoPontecorvo(1913.08.22-1993.09.24)在1957年提出不同中微子之间可能存在转换。1962年,Maki,Nakagawa和Sakata(坂田)发展和Pontecorvo想法,提出两种中微子之间的振荡矩阵。1967年,Ponrecorvo继续发展了这个想法。2020年3月7日星期六BrunoPontecorvoZiroMakiShoichiSakata2020年3月7日星期六太阳中微子问题——第一个证据1960年代,RaymondDavis在Homestake金矿的地下1478米处放了380立方米的全氯乙烯探测来自太阳的中微子。而JohnN.Bahcall根据标准太阳模型计算了到达地球的太阳核反应产生的电子中微子的通量。Davis发现探测到的中微子只有Bahcall理论的三分之一。这是著名的太阳中微子问题。2020年3月7日星期六JohnBahcall在Homestake2020年3月7日星期六Homestake实验后来被很多实验验证,如:神冈实验超级神冈实验SudburyNeutrino实验2020年3月7日星期六如果中微子存在振荡,那么太阳产生的电子中微子部分变成了其他中微子,就可以解释太阳中微子问题。1978年,LincolnWolfenstein,1985年,StanislavMikheyev和AlexeiSmirnov指出,中微子通过太阳媒介时,振荡被修改,这是MSW效应。电子中微子通过太阳时变成缪中微子和陶中微子的混合,后者可以用一个有效中微子代替。所以,太阳中微子可以看成一个两中微子振荡问题。2020年3月7日星期六在太阳中微子问题中,两中微子振荡角可以用来标志。KamLAND实验的结果是这个结果可以用来解释。2020年3月7日星期六大气中微子问题宇宙线进入大气也会产生中微子,例如缪中微子。地下实验探测到来自上方的缪中微子多于来自下方的缪中微子,说明缪中微子在传播过程中也变成了其它中微子。这个问题也可以用等效两中微子振荡来解释。2020年3月7日星期六大气中微子振荡问题中的振荡角和质量平方差为:超级神冈实验结果2020年3月7日星期六超级神冈实验是建立在以下实验的历史上:1980年代,MasatoshiKoshiba(小柴昌俊)在太阳中微子实验的启发下在神冈锌矿建立神冈II中微子探测器,证实了Davis的结果。1987年,神冈探测器探测到来自超新星1987A的中微子。1996年,超级神冈实验运作,发现了大气中微子振荡现象。2020年3月7日星期六由于太阳中微子实验和超新星中微子探测(而不是传说的中微子振荡的发现),Davis和小柴昌俊获得2002年度诺贝尔物理学奖。RaymondDavis小柴昌俊2020年3月7日星期六由于太阳中微子产生于核反应,典型的能量是几个MeV(低于20MeV),和产生于核反应堆的中微子能量差不多。来自于超新星的中微子能量也是几个MeV.宇宙线产生的大气中微子能量从几个MeV到几个TeV。加速器产生的中微子能量在GeV量级上。下面我们介绍几个加速器中微子实验和核反应堆中微子实验。2020年3月7日星期六加速器中微子实验:日本的T2K实验加速器产生中微子:通常用质子打在靶(如石墨)上产生介子,介子然后衰变成反缪介子和缪中微子。J-PARC加速器的中微子beamline2020年3月7日星期六产生的中微子为超级神冈探测器所接受,探测器为5万吨纯水和11200个光电倍增管组成。2020年3月7日星期六加速器中微子实验:美国的MINOS实验类似T2K,主要产生缪中微子。2020年3月7日星期六加速器中微子实验:意大利GranSasso的实验这里有四家中微子实验,中微子来自欧洲核子中心。著名的有OPERA(去年可能错误地发现中微子超光速。)ICARUS,最近否证了OPERA的超光速结果。2020年3月7日星期六OPERA实验示意图ICARUS2020年3月7日星期六加速器产生的中微子实验中的中微子能量通常很高,所以,要测量中微子振荡,需要较长的基线,通常是数百公里。目前,来自这些实验的主要数据是:(MINOS2011)2020年3月7日星期六为了完备起见,我们给出太阳中微子实验关于另一个混合角和质量平方的结果:2020年3月7日星期六由于第三个质量远远大于第一个质量和第二个质量,要直接测量,我们需要测量电子中微子在真空中如何消失的(变成有效两中微子振荡问题)。并且需要短基线测量,也就是说中微子探测器距离中微子源是千米级,而中微子能量是MeV量级。这正是核反应堆中微子实验可以做到的。下面介绍几个核反应堆中微子实验。2020年3月7日星期六核反应堆中微子实验:大亚湾实验大亚湾中微子实验根据去年年底50天的数据,首次获得准确的的结果。这是中国对基础物理迄今最大的贡献。大亚湾核电站2020年3月7日星期六大亚湾实验有三个地下实验室,计划8个中微子探测器,已建成6个,各重百吨。探测器内部2020年3月7日星期六大亚湾实验的主要结果:高达5.4标准误差置信度。而其他实验最好的置信度不到3个标准误差。2020年3月7日星期六DoubleChooz实验这是在法国EDF-Chooz核电站的一个实验。Chooz是一个村子。2020年3月7日星期六DoubleChooz的结果为DoubleChooz探测器2020年3月7日星期六韩国的RENO实验是位于韩国荣光郡的核反应堆中微子实验。RENO是ReactorExperimentforNeutrinoOscillation的缩写。2020年3月7日星期六RENO2012年4月份的结果2020年3月7日星期六中微子质量问题中微子一定有质量,否则三个混合角没有意义。如何定义中微子质量?在标准模型中,如果只有左手中微子(以及右手反中微子),则无法定义中微子质量:2020年3月7日星期六中微子的运动学项还包括对左手中微子复共轭变分,我们得到运动方程可见,在右手中微子存在的情况下,Dirac质量项将左右手中微子质量关联在一起。2020年3月7日星期六在没有右手中微子的情况下,利用中微子的反粒子是右手的,即是右手的,我们可以引入一项这一项破坏了规范不变性,因为在SU(2)变换下,左手中微子与左手电子混合。2020年3月7日星期六此时,我们对左手中微子的复共轭变分,注意到质量项的第一项是该复共轭的双线性函数,得在这种情况下,左手中微子的质量等于其反粒子的质量。总结:中微子的质量让我们不得不超出标准模型:或者引入右手中微子,或者破坏规范对称性。2020年3月7日星期六很明显,破坏
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