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寻找中微子振荡混合角

中微子有3个味，两两之间互相振荡，共有3种振荡模式。中微子的振荡规律由6个参数决定，包括3个混合角（θ₁₂、θ₂₃、θ₁₃），两个质量平方差，以及一个决定电荷宇称（CP）破坏程度的相位角。

简单地说，某个混合角q代表了2种不同质量、不同类型中微子之间的振荡关系。一种中微子在飞行中变成另一种类中微子的几率，随着它的飞行距离而有规律地变化。某种中微子变成其他中微子的最大几率是sin²2θ。

这3个混合角中，此前已通过大气中微子振荡测得了θ₂₃，通过太阳中微子振荡测得了θ₁₂，但最小的混合角θ₁₃在大亚湾实验之前一直是个谜，甚至有人预言它的值可能为零。大亚湾实验的主要目的就是精确测出θ₁₃ 。

在大亚湾中微子实验之前，世界上已经有几个实验室在试图寻找θ₁₃ 。θ₁₃可以通过反应堆中微子实验或长基线加速器中微子实验来测量。在长基线中微子实验中，中微子振荡几率与多种因素有关，而反应堆中微子振荡只跟θ₁₃相关，实验的周期与造价也远小于长基线中微子实验。

从2011年到2012年1月，一共有3个实验得到了θ₁₃不等于零的初步迹象，但置信度都不高。这3个实验包括日本的T2K实验、美国的MINOS实验和法国的Double Chooz实验。前两个实验中的中微子都是加速器产生的，Double Chooz实验中的中微子是核反应堆产生的。T2K实验测出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%。Double Chooz测到的sin²2θ₁₃是0.086，比T2K的结果稍小，置信度为1.7个标准差。MINOS实验测到的sin²2θ₁₃是0.04，置信度也是1.7个标准差。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。

在粒子物理实验中，置信度必须达到5个标准差才算是“发现”，也就是说置信度必须达到99.9999%。这次的大亚湾中微子实验首次以超过5倍的标准偏差确定sin²2θ₁₃不为零，通过实验真正发现了这种新的中微子振荡模式。

图：加拿大萨德伯里中微子观测站

准确测量θ₁₃的重要意义

那么为什么要花这么大的力气来测量θ₁₃ ？它有什么重要性？这与中微子振荡6个参数中的另一个参数，即CP（电荷宇称）破坏相位角有关。这就要说到CP破坏的问题。

CP破坏（CP violation）是物理学，尤其是粒子物理学中的一个术语。CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积：C（charge conjugation）是电荷正反共轭运算，这个运算将一个粒子转化为其反粒子；P（parity）是宇称，这个运算造成一个物理系统的镜像。

宇称守恒的基本思想是在镜像反演后粒子物理学的公式不变。也就是说一个系统里的反应（比如化学反应或者放射性衰变）在镜像系统中是以同样的速率进行的。20世纪40年代之前，物理学家一直认为所有的反应全是宇称守恒的。50年代，李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒，吴健雄等通过实验证实了这一理论。1980年，美国科学家詹姆斯·沃森·克罗宁（James Watson Cronin）与瓦尔·菲奇（Val Fitch）发现了电荷共轭宇称不守恒，即CP破坏。

与轻子有关的理论中，所有CP破坏的物理描述都含有因子θ₁₃，因此θ₁₃的大小决定了CP对称性的破坏程度。不论是测得θ₁₃或证明它极小，对宇宙起源、粒子物理大统一理论以及未来中微子物理的发展方向等均有重要意义。θ₁₃和CP破坏相位角有可能与解释为什么宇宙中不存在反物质的理论存在关联。

根据宇宙大爆炸理论，宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸。这一理论不仅解释了天体的光谱红移现象，而且它所预言的3K背景辐射以及微波背景辐射微小的不均匀性等现象，也都得到了天文观测的验证。但还有一个重要问题悬而未决，那就是反物质的缺失。大爆炸之初，能量转化为物质，正反粒子应该成对产生、成对湮灭，即宇宙中的正反物质应该一样多。而且最终正反物质可能会完全湮灭，变成一个没有物质，只有辐射的宇宙。可是目前在我们的可观测宇宙中，所有天体均由正物质组成，原初反物质神秘地丢失了。若存在CP破坏，就可以解释这个现象：宇宙大爆炸的初期是均匀的，各向同性的，产生的正反粒子也是相等的。随后，这些粒子开始衰变。由于CP不守恒，也就是说正反物质衰变速率存在差异，所以就导致了正物质多于反物质。当等量的正反物质湮灭之后，剩下来多余的原初正物质就构成了现在的宇宙。科学家曾发现同为基本粒子的夸克存在CP破坏现象，但研究结果显示，其破坏程度还不足以解释现在宇宙中正物质的巨大数量。中微子振荡的研究为解决这个问题带来了希望。如果中微子振荡中的CP破坏效应较大，就可能借助某种动力学模型来解释宇宙中的反物质缺失之谜。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）