大亚湾新中微子振荡或解宇宙反物质消失之谜

2012-03-18 08:32:47 来源: 人民网-人民日报(北京)
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核心提示:中国大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡,对于揭开宇宙反物质消失开辟了道路。有评论认为,中国物理学界有望凭此贡献问鼎诺贝尔奖。

由于粒子物理学在破解宇宙之谜中具有特殊重要地位,所以该研究领域的每一项重大进展都天然地具有爆炸性,而近期相关“重磅”消息更是接连传出:先是欧洲大型强子对撞机“撞”出“中微子超光速”,挑战爱因斯坦“相对论”。接着欧洲核子研究中心宣布,所谓“中微子超光速”可能是由于实验光缆松动导致的“乌龙”。再接着,美国费米实验室宣布,相关实验数据分析获进展,接近证实物质“质量之源”、 “上帝粒子”希格斯波色子的存在。最后就是日前广东大亚湾发现新的中微子振荡。

与“中微子运动能否超光速”和“希格斯波色子是否存在”依然悬而未决相比,我国科研人员主导的大亚湾中微子实验发现的新的中微子振荡模式已经获得世界物理学界的广泛认可和高度评价。这无疑是令国人振奋的好消息,甚至有评价指出,中国物理学界有望凭此贡献问鼎诺贝尔奖。

测得梦寐以求的sin22θ13

“我在此宣布大亚湾中微子实验的最新实验结果:发现了电子反中微子消失现象,该现象与中微子振荡的预期符合,其能谱畸变也与中微子振荡的预期符合,这就意味着发现了一种新的中微子振荡模式,其信号显著性为5.2倍标准偏差,并测得其振幅 sin22θ13为0.092。”向媒体发布上述消息时,大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳带着科学家特有的严谨,为了说明测量数据的和计算结果的准确性,他现场的PPT演示文稿中不时列出“复杂”的运算公式。

一直以来,全世界高能物理学家都梦想精确测量sin22θ13数值,因为其存在与否、数值大小决定着中微子物理学的未来走向。然而在上述大亚湾中微子实验结果没有出来之前,研究实验没有取得实质性突破。尽管2011年6月,日本中微子实验测得sin22θ13大约为0.11,置信度只有2.5个标准差,而在粒子物理实验中,置信度必须达到5个标准差才算“发现”。

为什么大亚湾中微子实验能够做到精确测量呢?王贻芳将此次突破归结为选址优势和独特的实验设计。他解释说,作为中微子实验地,大亚湾核电基地的优势体现在两个方面,一是功率名列世界第二,能提供大量反中微子;二是核电站靠近山,适于建造地下实验大厅,以屏蔽宇宙本底。在实验设计方面,通过远近点之间的相对测量提高精度,通过同一点的多模块中微子测量以降低系统误差并相互校验,通过多重宇宙线反符合探测器提高效率,降低了误差。

直指“反物质消失之谜”

“祝贺你们准确测算θ13值……”

“热烈祝贺你们在θ13值上的新发现……”

王贻芳团队的成果赢得了国际物理学界的广泛关注和普遍赞誉,世界顶尖物理学家和著名物理研究机构纷纷发来贺电,这是中国近现代物理学发展史少有的景象。正如贺电所说的那样,王贻芳团队完成了困扰国际物理学界多年的sin22θ13值精确测算,证实了中微子第3种振荡模式的存在,并为揭开宇宙反物质消失之谜开辟了道路。

然而要科学认识王贻芳团队实验成果的意义,必须从中微子振荡和中微子混合角θ13谈起。中微子共有3种类型,并可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,即中微子振荡。原则上应有3种振荡模式,之前已有两种被证实,相应的混合角θ12和 θ23已经准确测得。大亚湾中微子实验旨在通过不同距离探测到的中微子个数来准确测算混合角θ13值,进而证实中微子第3种振荡模式的存在。在此基础上,可以通过θ13值(如果足够大)进一步测量中微子振荡中的宇称和电荷反演(CP相位角)破坏,以理解宇宙中物质-反物质不对称现象,即宇宙中“反物质消失之谜”。

“这种振荡的振幅比预期要大得多,使我们能够很好地准备下一代物理实验,解决中微子振荡中另外两个问题:中微子质量顺序和中微子振荡中是否有宇称和电荷反演破坏。”王贻芳说。

冲击诺贝尔物理学奖

鉴于θ13在揭示中微子振荡CP相位角破坏的特殊重要性,美国物理学会曾在2004年在报告中将用反应堆实验测量sin22θ13作为未来试验的“第一优先”。国际上在2003年以来,先后有7个国家提出了8个实验方案,最终进入建设阶段的有3个,包括中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。在激烈的国际竞争中,王贻芳领导的大亚湾实验团队克服了重重困难,完成了探测器的建造与安装、实验数据的获取、刻度、修正和数据分析等,率先取得重大成果。此举“使中微子物理学研究坚定地驶上了快车道”,同时也把中国粒子物理学研究水平推向世界最前沿。甚至有观点认为王贻芳团队有望摘得诺贝尔物理学奖。

上述观点当然有其根据,实际上诺贝尔物理学奖分外青睐中微子研究领域,已经产生3个诺贝尔物理学奖。但中科院高能所实验物理中心曹俊研究员清醒地指出,诺贝尔物理学奖一般是给意想不到的发现的,前两次获得诺奖是因为发现新的中微子,第三次获诺奖是因为首次发现中微子振荡。与它们相比,这个实验分量要轻,能被美国《科学》杂志评为今年的10大科技突破,但可能够不上诺奖。当然,曹俊也表示,大亚湾实验还在继续,如果运气够好,能发现什么反常现象,得出出人意料的成果,也可能获诺奖。

θ13藏宇宙奥秘

中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合。混合规律由六个参数决定(另外还有两个与振荡无关的相位角),分别为三个混合角θ12、θ23、θ13,两个质量平方差△m221和△m232以及一个电荷宇称相位角 θcp。截至目前,θ23与△m232已通过大气中微子振荡测得,θ12与△m221亦通过太阳中微子振荡测得。大亚湾中微子试验测得θ13值,因此,在混合矩阵中,只剩下1个参数还未被确定:破缺的相位角δcp。

θ13的数值大小决定了未来中微子物理的发展方向。在轻子部分,所有电荷宇称(CP)破缺的物理效应都含有因子θ13,故θ13的大小调控着CP对称性的破坏程度。如果它是如人们所预计的sin22θ13等于1%~3%的话,则中微子的CP 相角可以通过长基线中微子实验来测量,宇宙中物质与反物质的不对称现象可能得以解释。如果它太小,则中微子的CP相角无法测量,目前用中微子来解释物质与反物质不对称的理论便无法证实。令人欣喜的是sin22θ13值达到9.2%,这意味着“反物质消失之谜”可能破解。

ww 本文来源:人民网-人民日报 作者:张保淑 责任编辑:王晓易_NE0011
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