希格斯粒子被發現之后,粒子物理進入了一個新的階段。希格斯粒子是粒子物理標準模型的最后一個組成部分,它的發現意味著一個時代的結束,也預示著一個新時代的開啟。標準模型是系統地描述整個粒子物理、經過大量實驗檢驗的理論體系。建立標準模型的相關工作已獲得了 18 次諾貝爾獎。找到希格斯粒子之后,標準模型趨近完善,具有優美的結構和驚人的預言能力;另一方面,卻存在暗物質、暗能量、宇宙正反物質不對稱性、中微子質量等一些標準模型無法容納,或者難以解釋的現象,說明必定存在著標準模型之外的新物理。

在標準模型中,中微子是沒有質量的。中微子振蕩的發現說明中微子有質量。這是目前發現的唯一有堅實實驗證據超出標準模型的現象。

中微子中微子共有三種,分別是電子中微子、m 中微子、t 中微子。在標準模型中它們的質量為零。1956年李政道和楊振寧預言弱作用宇稱不守恒,即空間的左右不對稱,很快被吳健雄用實驗證實。實驗也發現在弱作用中宇稱不僅不守恒,而且是最大破壞的。造成這一現象的原因實質是只存在左手螺旋度的中微子\\(即它的自旋總是與運動方向相反\\),不存在右手中微子。這只有中微子質量為零才能成立,因為質量不為零的話,那么中微子的速度必然小于光速,可以選擇一個比它還快的參考系,讓它的螺旋度發生翻轉。根據這一現象,李政道和楊振寧提出了中微子的二分量理論,該理論又催生了弱作用的 V-A理論,被標準模型所繼承,與各種實驗數據符合得非常好。因此,在標準模型中,中微子是沒有質量的。

然而,1998 年日本超級神岡實驗\\(Super-K\\)發現大氣中微子存在振蕩現象,即中微子在飛行中可以變成其他種類的中微子。與更早的太陽中微子失蹤之謎,稍晚的SNO\\(太陽中微子\\)、KamLAND\\(反應堆中微子\\)、K2K\\(加速器中微子\\)等實驗的結果一起,形成了中微子振蕩的堅實證據。中微子振蕩說明中微子有質量,只不過它非常非常小,以至于現有技術還不能直接測出來。

將中微子質量納入標準模型中看上去不是大問題,像電子一樣給它加一個質量項似乎就可以了。

不過馬上就會碰到兩個問題。一個問題是怎么加。中微子自旋為1/2,是費米子。其他的費米子都是帶電荷的,而中微子不帶電。這樣,中微子可以像其他費米子一樣,是狄拉克粒子,有一個狄拉克質量項,也可以是一種特殊的馬約拉納粒子,即它的反粒子就是它自身,只是螺旋度相反。另一個問題是中微子質量太小,如果簡單加一個狄拉克質量項,那么它的質量與最重的頂夸克相差一萬億倍。同一個希格斯粒子,既要產生頂夸克那么大的質量,又要產生中微子那么小的質量,如此懸殊的差距讓人很難相信。有一類很受物理學家喜歡的理論,叫“蹺蹺板機制”,它假定中微子是馬約拉納粒子,同時存在尚未被發現的、質量遠大于電弱能標的重中微子,這樣中微子的微小質量可以得到很自然的解釋。不過重中微子是無法填進標準模型的三代結構中的。

我們把具有確定質量的中微子\\(即質量本征態\\)叫 m1、m2、m3,它們與味道本征態——電子中微子、m 中微子、t 中微子并不一一對應。例如,具有確定質量的m1可以看成是由三種味道的中微子按某種比例組合而成,而具有確定味道的電子中微子也是由三種不同質量的中微子組合而成。正是這種混合導致了中微子振蕩。

三代中微子的振蕩可由 6 個參數描述, 包括 2 個質量平方差,3 個混合角, 和 1 個 CP破壞相角。太陽中微子實驗測得了 m22-m12=7.5×10-5eV2和 混 合角 sin22q12=0.86, 大氣中微子實驗測得了 |m32-m22|=2.4× 10-3eV2和 sin22q23≈ 1。大亞灣反應堆中微子實驗測得了最后一個混合角sin22q13=0.09。未知的參數還剩下CP 破壞相角。此外,大氣中微子實驗不能確定 m2和 m3到底誰更重,稱為質量順序\\(或質量等級\\)問題;也沒有確定 q23針對 p/4 的偏離取向,后者被稱為q23的八分圓問題。

通過中微子振蕩只能測出中微子的質量平方差。精確測量 b 衰變的電子能譜端點,或者測量無中微子雙 b 衰變\\(假如存在這類衰變的話\\),可以得到中微子質量的另一個關系,從而限定三種中微子的質量。然而這兩類實驗難度非常大,近期能夠成功的可能性很小。

普朗克衛星最新的宇宙學觀測給出了三種中微子質量之和的最佳測量結果,為 0.320±0.081 eV。中微子的實驗研究大致可以分成兩類,一類是中微子振蕩研究,另一類是非振蕩物理,包括絕對質量的測量、無中微子雙b衰變、尋找惰性中微子、尋找非標準相互作用和反常磁矩,以及中微子天文學等。

由于標準模型強大的預言能力,在過去幾十年,不少新粒子或新現象都是先有理論預言,再被實驗發現,因此被稱為“有保障的發現”,包括一些獲諾貝爾獎的發現如 W±和 Z0。隨著希格斯粒子的發現,“有保障的發現”基本上結束了,新物理的突破需要更加艱難的探索。2012年,除了希格斯粒子,大亞灣實驗還發現了一個較大的中微子混合角 q13。這絕對是一個好消息,它告訴我們,中微子這個領域還有幾個“有保障的發現”在不遠處等著我們。我們可以在研究中微子未知性質的同時尋找新物理的突破口。

質量順序的測量在測得 q13后,測量質量順序成為中微子研究的下一個熱點。

我們已知 m2>m1,因為能量較高的太陽中微子振蕩主要發生在太陽內部,電子中微子與太陽內的電子發生帶電流弱相互作用帶來物質效應,可以區分 m2與 m1的大小。大氣中微子振蕩則只能測得質量平方差的絕對值,因此我們不清楚三種中微子的質量順序是正的\\(m3>m2>m1\\)還是反的\\(m2>m1>m3\\)。

如果不知道質量順序,長基線加速器中微子的振蕩幾率不能確定,因此也影響 CP 破壞的測量;從宇宙學,或者無中微子雙 b 衰變實驗,或者 b 譜端點得到質量關系后,也不能確定中微子的絕對質量;假如中微子質量順序為正,我們有可能永遠無法通過無中微子雙 b 衰變實驗來確定中微子是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子。

我們曾經認為q13很小,質量順序、CP 破壞相角等未知參數用現有技術可能難以測量。因此,十幾年前人們就開始研制中微子工廠、b 束流等新技術。大亞灣實驗發現q13遠大于預期,因此用我們現有的技術就可以進行質量順序和CP 破壞的研究。國際上共提出了8 個實驗方案以測量質量順序,包括中國的江門中微子實驗\\(JUNO\\)、美國的LBNE、 美國在南極洲的 PINGU、 日本的超超級神岡\\(Hyper-K\\)、歐洲的 LBNO、韓國的 RENO-50、印度的 INO,以及即將建成的美國 NOvA。其中JUNO、LBNE、PINGU、Hyper-K的競爭力較強。

利用反應堆中微子振蕩中的干涉效應可以測量質量順序,其最佳基線\\(即反應堆到探測器的距離\\)約為 60 千米,需要很大的探測器和極佳的能量分辨率,從精確的能譜測量中確定這種干涉效應。2008年高能物理所就提出了進行該實驗的設想,稱為大亞灣二期實驗。發現q13很大后,實驗難度大大降低,這項工作得以迅速提上日程。該實驗要求探測器到各個反應堆的距離相等,否則干涉效應將相互抵消。

由于大亞灣附近規劃的反應堆布局不利于測量,2012 年確定在廣東省江門的開平市建立實驗站,位于距陽江核電站和臺山核電站 53 千米處。實驗將建設一個有效質量為2 萬噸的液體閃爍體探測器\\(圖 1\\),位于地下700米,能量精度為3%。

最主要的難點是比以前最好的液體閃爍體探測器的能量精度還要高 1倍。江門中微子實驗預期 2020 年建成運行,6 年后可將質量順序確定到 3 ~ 4 倍標準偏差。同時可以精確測量 sin22q12和 2 個質量平方差參數到好于 1% 的精度,研究超新星中微子、太陽中微子、地球中微子、大氣中微子,以及惰性中微子等。

LBNE 將在南達科它州的Homestake 建立 1 萬噸的液氬探測器,探測 1300 千米外費米實驗室產生的加速器中微子束流,通過中微子穿過地球時的物質效應來確定質量順序。實驗原計劃采用 3.4 萬噸的探測器,目前只批準了1萬噸,預期 2022 年建成。長基線加速器中微子實驗對質量順序的靈敏度嚴重依賴于 CP 破壞的大小。對 CP破壞較大的一半參數空間,LBNE在 10 年內可將質量順序確定到5倍標準偏差。對另一半參數空間則為 2 ~ 5 倍標準偏差。實驗的難點是建造 1 萬噸的液氬探測器\\(以前最大為 600 噸\\)。同樣利用費米實驗室的加速器產生中微子的還有即將建成的 NOvA 實驗,它在 730 千米外的明尼蘇達州建立 5 萬噸的塑料閃爍體探測器,有1/4的幾率\\(參數空間\\)將質量順序測量到 3 倍標準偏差。

大氣中微子也可以用來確定質量順序。高能原初宇宙線在大氣中產生大量的中微子,它們在地球表面基本上均勻分布。超級神岡實驗正是發現了貫穿地球的大氣中微子隨不同飛行距離的存活幾率而發現了中微子振蕩。穿過地球時的物質效應對正、反 m 中微子的影響不同,在正、反質量順序情況下的影響也不同。超級神岡實驗雖然有5 萬噸水,但仍不足以區分正反質量順序。印度在建的 INO 實驗是唯一能區分正、反 m 子的大氣中微子實驗,但其質量也為 5 萬噸,靈敏度不高。大氣中微子有較寬的能譜,其中對質量順序測量貢獻最大的是 7 GeV 左右的中微子。南極洲的冰立方實驗\\(圖 2\\)可以探測到大氣中微子,體積為 1 立方千米,即 10 億噸,但能量閾值太高,不能探測 7 GeV 的 m 中微子。因此,科學家計劃在冰立方的中心重新建一個光電倍增管更密集,能探測到更多光子,因而能量閾值更低的實驗,叫 PINGU,其有效質量100 ~ 1000 萬噸。3 年的數據量可以測量質量順序到 3 倍標準偏差以上。實驗的主要難點在于能否精確地將光電倍增管部署到冰下的預期位置,以及能否精確理解光子在冰層中的傳播過程。PINGU 實驗尚未批準。如果這些問題能解決,可能是測量質量順序最快的實驗。

繼超級神岡之后,日本計劃在原址旁新建超超級神岡\\(Hyper-K\\),質量從 5 萬噸提升到 100 萬噸。

Hyper-K 將探測來自 295 千米外日本散射中微子源\\(J-Parc\\)的中微子束流。由于 295 千米的距離較短,地球物質效應不夠顯著,運行6 ~ 10 年后也只對不到 1/4 的參數空間能將質量順序測量到 3 倍標準偏差以上。Hyper-K 也能探測大氣中微子和超新星中微子。利用大氣中微子對質量順序的靈敏度更好,6 ~ 10 年的數據,對大部分參數空間都能測量到 3 倍標準偏差以上。

在這些實驗中,JUNO、LBNE、NOvA、INO 已獲批準,PINGU、Hyper-K 有較大的可能被批準\\(圖 3\\)。這些實驗涵蓋了反應堆中微子、加速器中微子和大氣中微子三種源,采用了不同的探測器技術。加速器實驗用 m 中微子束流,探測電子中微子的出現幾率,靈敏度依賴于 CP 破壞相角。大氣中微子探測 m 中微子的消失幾率,靈敏度依賴于q23對p/4的偏離值。

反應堆中微子實驗則與 CP 破壞相角和q23的八分圓問題無關,但對能量精度要求很高。預期到 2025年左右,我們能夠通過不同的手段基本上確定中微子的質量順序。

其他中微子振蕩測量中微子的 CP 破壞大概是剩下的“有保障的發現”中最重要的一個。它與宇宙中正反物質的不對稱可能相關。測量 CP 破壞最直接的方法是比較正、反中微子振蕩的差別。只有加速器中微子實驗比較容易做到這一點。通過改變質子打靶后的聚焦磁場方向,可以選擇性地聚焦正粒子還是反粒子,從而產生正中微子或反中微子束流。

由于質子帶正電,產生的反中微子束流一般只有正中微子的 1/3 流強。從探測器測得它們振蕩幾率的差別,就可以測得 CP 破壞相角。

LBNE 和 Hyper-K 實驗可以測量CP 破壞。如果 CP 破壞相角為 0°或 180°,則 CP 破壞效應為零,90°和 270°處最大。到 2032 年,通過 10 年的測量,例如 3 年正中微子,7 年反中微子,LBNE 對 1/4的參數空間可測量 CP 破壞到 3 倍標準偏差以上,而 Hyper-K 則有3/4 的參數空間。

大氣中微子和加速器中微子實驗都可以測量q23并確定它對 p/4的偏離。加速器中微子 LBNE 可以通過 m 中微子消失幾率的測量,對大部分參數空間將q23的精度測量到好于 1°,對q23小于 40°或大于 50°的情況可以解決八分圓問題到 3 倍標準偏差以上。Hyper-K通過大氣中微子也可以測量到類似的精度。

預期到 2032 年左右,我們將能夠有 3/4 的幾率測量到中微子的CP 破壞。對其他 5 個中微子振蕩參數的測量精度將好于 1%。精確測量振蕩參數將使我們能夠檢驗混合矩陣的幺正性。假如存在超出標準模型的重中微子,例如像解釋中微子微小質量的“蹺蹺板機制”所預言的那樣,我們現有的技術手段也許無法直接尋找,但它們會對現有的中微子振蕩產生間接影響。我們所測得的 3×3 混合矩陣將是一個更大的幺正矩陣的子矩陣,前者本身不再滿足幺正性。通過精確測量混合參數,我們可以窺探更高能量下的新物理。

非振蕩中微子研究無中微子雙 b 實驗是一類極為重要的中微子實驗。如果發現了這種現象,則說明中微子與其他費米子都不同,是馬約拉納粒子?，F在有十多個實驗,利用不同的探測技術和不同的同位素進行研究,例如 Gerda,CUORE,NEMO 等。EXO 是其中競爭力最強的實驗之一。它利用液氙\\(136Xe\\)同時作為雙 b 衰變核素和探測介質,在極低本底、實驗規?；嫌休^大優勢。

目前EXO實驗采用200千克液氙,計劃升級為 nEXO,靶質量為 5 噸,并繼續提高探測器性能。特別是有可能實現獨有的Ba離子標記技術,原則上可排除所有其他核素產生本底。

假如中微子具有反質量順序,下一代的無中微子雙 b 實驗將能在未來 10 年確定中微子是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子。假如質量順序是正序則很糟糕,如果未能找到無中微子雙 b 衰變現象,即使是下一代實驗,也不能排除它為馬約拉納粒子。

為了解釋 LSND 實驗發現的極短距離的中微子振蕩現象,有人認為存在著質量在 1 eV 附近的中微子。由于加速器上 Z0粒子衰變實驗已經證明只有三種參與弱作用的中微子,只能假定存在一種標準模型之外的、不直接參與弱作用的粒子,稱為“惰性中微子”。還有一些其他跡象支持惰性中微子的存在,如反應堆中微子反常、GELLEX 反常等。專門設計來驗證LSND 實驗的 MiniBooNE 實驗也未能得到明確的結果。惰性中微子激起了相當一部分人的興趣。新設計的實驗包括在距反應堆幾米的地方測量中微子振蕩、近距離的加速器中微子實驗、利用放射源近距離測量中微子等。也許未來一二十年內能夠證實或否定它的存在。

中微子也是一種新的天體物理的研究手段。中微子不帶電,穿透能力強,因此能提供其他粒子無法提供的信息。南極洲的“冰立方”實驗 2013 年發現了來自宇宙的極高能中微子,它們有可能提供極高能宇宙線起源的信息。探測超新星中微子、太陽中微子將帶來星體內部的的信息,幫助我們理解星體的形成與演化。地球中微子也能幫助我們刺探無法到達的地球內部,幫助理解地球的形成與演化。