Friday, March 9, 2012

来自中国的物理学突破

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(《新发现》专栏,勿转)
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。先是去年9月23号从意大利Gran Sasso地下实验室传来中微子超光速的震撼新闻,接着在去年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?我们需要等到今年五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。

其实,除了中微子超光速新闻之外,去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,去年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,sin^22\theta_{13} 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去年的十大物理突破的第7位。
那么,sin\theta_{13} 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,一共有三种中微子。例如,在beta衰变中产生的是电子型反中微子,因为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,所有三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。从去年到今年一月份,一共有三个实验得到了不等于零的值,但置信度都不高。这三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sin^22\theta_{13} 是0.086,比T2K的结果稍小,而MINOS实验测到的值最小,只有0.04。虽然这三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。
基于中国的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。位于大亚湾核电站一共有六个核反应堆,而中微子实验有三个地下实验室,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。三个实验室中共有六个重百吨的反中微子探测器,近的有三个,远的有三个。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\theta_{13} 。从去年12月24号开始到今年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sin^22\theta_{13} =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,尽管其他三个实验组也发现sin^22\theta_{13} 不为零,这些测量只能算证据,不能算发现,因为精度太低。
这也许是中国本土上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。





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