清华教授：大亚湾中微子振荡的启示

发布时间：2015-11-17 作者公众号：赛先生

何红建清华大学近代物理研究所教授

继10月份的诺贝尔物理奖之后刚刚一个月，中微子领域再传喜讯：大亚湾中微子团队斩获"2016年基础物理学突破奖", 共同分享这一大奖的还有其他四个国际中微子实验团队(KamLAND, K2K/T2K, SNO, SuperKamiokande)。我在此向大亚湾合作组致以热烈祝贺, 并向我的实验同事与朋友王贻芳和陆锦标致以衷心祝贺!早在10月初诺贝尔物理奖公布之际一些杂志和朋友就热情邀请我写介绍性文章，因为这是发给国外中微子实验的奖项，也因为实在太忙，而我又是理论家，我大都推荐他们直接去联系和采访实验同行贻芳和他的同事们。另外一个原因也是因为已经有许多实验和理论同行迅速给媒体/博客提供了丰富的访谈和评论介绍(其中包括高能所的曹俊和邢志忠研究员、中大的李淼教授等人，还有我的清华实验同事陈少敏教授)。我随后收到清华高研院翁征宇教授的热情邀请为《赛先生》写一个介绍，感觉盛情难却，而在刚要准备挤时间写一点东西的时候，就看到了MIT文小刚教授和国台陈学雷研究员给《赛先生》写的两篇大作，因此十分庆幸，感觉这下我也就可以免去动笔之劳了。然而，出乎众人所料，11月9日中微子领域再传重大喜讯，这次获得"突破奖"的实验团队就包括贻芳和锦标所领导的大亚湾合作组。这时《赛先生》编辑部许灏先生再次热情邀请我效力。作为贻芳和锦标多年的同事和朋友，我感觉值得再次向他们热烈祝贺，并从我所了解的角度介绍他们，于是就勉为其难，为《赛先生》做一点点贡献。

荣获"突破奖"的五个实验团队发现了中微子的三种振荡模式，定量测定了中微子的非零混合角(θ12, θ23, θ13)及中微子质量的平方差。这些参数都是自然界的基本常数，对于进一步理解中微子质量起源和探索中微子与轻子部分的CP破坏具有重大科学意义。(C 和 P 分别代表电荷共轭变换和空间反演变换两种基本分离对称性。) 这是一项以中国科学家为主体、联合美国等国的42个单位的292名科学家共同参与、并在中国本土上完成的重大科学发现。万钢部长在11月10日代表科技部给贻芳的贺信中指出：大亚湾团队"在大亚湾反应堆中微子实验设计、探测器研制建设等多个领域取得了重要成果，发现了新的中微子振荡模式，得到了国际高能物理界的高度评价，对推动国际中微子领域研究具有极为重要的意义。这也是我国组织实施国际大科学工程的成功探索和实践。"在同一天，中科院白春礼院长给贻芳及其团队发的贺信中指出："此次获奖进一步彰显了我国高能物理相关领域研究的国际领先地位，对我国科技发展具有标志性意义。"

大亚湾合作组在2012年3月8日首次宣布了关于中微子关键混合角θ13 非零的突破性发现，超出背景5.2 个标准偏差，以大于99.9999%的精度确立了中微子的第三种振荡模式，这是一个测量反电子中微子通过振荡而消失的反应堆中微子实验。大亚湾团队的这项重大发现是在王贻芳研究员(中科院高能物理研究所)和陆锦标教授(加州大学伯克利分校)的领导下完成的。2003年以来，有7个国家先后提出了8个实验方案利用反应堆实验测量θ13，最终投入建造的有3个，包括中国大亚湾实验、法国Double Chooz实验、和韩国RENO实验。大亚湾实验位于广东深圳的大亚湾核电站和岭澳核电站，于2007年10月动工，到2011年中期先后完成探测器的建造与安装，并在8月开始近点取数，12月下旬开始远近点同时运行。实验基地建有总长3千米的隧道和3个地下实验大厅，分别为大亚湾近点、岭澳近点与远点大厅，大厅内共可容纳8台中微子探测器，每台高5米、直径5米、重110吨，安置于10米深的水池中。利用两个近点实验厅内探测器测量反应堆中微子流强，并在远点实验厅探测振荡效应。分析实验数据发现远点探测到的中微子数显著低于预期，表明中微子在传播中发生了振荡，从电子反中微子转变成了其它种类的中微子。这个实验的完成除了方案设计与论证、组建实验队伍、争取立项和筹备经费等等，还涉及相当复杂的工程技术问题，包括核电站附近的隧道施工和中微子探测器的研制及其部件的批量生产和安装，还有信号与背景模拟、数据采集、刻度、修正和分析等等。关于这个实验发展的详情，贻芳和锦标及其实验同行们已作了很多介绍，他们近期已被大量采访和报道。还有之前和最近曹俊、杨长根、陈少敏、邢志忠、李淼等实验及理论同事在报刊杂志和博客上发表的各种介绍性文章。所以我在这里就不必画蛇添足了。我的文档里倒是有一篇多年前贻芳发给我的综述文章《大亚湾反应堆中微子实验》，此文于2007年发表在《物理》杂志36卷第3期，参见图1，这一年大亚湾实验正好破土动工。贻芳在摘要中提到了大亚湾中微子实验测量θ13混合角的物理目标和科学意义，建议读者抽空拜读。

图1.王贻芳2007年发表在《物理》杂志上介绍大亚湾中微子实验的综述文章。

只是恰巧我与这两位领头人都很熟悉，所以可以谈谈与他们的讨论与交流，以及关于非零θ13 的物理缘由。我与贻芳的第一次交往大概要回溯到15年之前，那时贻芳刚刚回国加入高能所，而我当时还在美国 UT Austin工作，经过高能所杜东生老师发email向我引见，得知贻芳在考虑一个探测磁单极的实验，希望我作为理论同行提供一些建议，因为杜老师知道我曾对磁单极做过深入研究。那时我与贻芳尚未谋面，我们通过邮件作了交流，详情已经淡忘，大概因为各自也在忙别的研究。我与贻芳见面应该是我回国之后的事，那是2006年秋我第一次到桂林参加全国粒子物理学年会。贻芳领导的大亚湾实验于2007年10月动工。三年之后，2010年春我特别邀请贻芳来清华大学报告大亚湾实验进展，那时大亚湾的探测器尚在建造之中，人们对此已不觉新鲜，也没有人会料到大亚湾会在两年之后做出如此戏剧性的发现，听众也不多，还有照片可以查证，参见图1。那时实验上还没有任何θ13非零的迹象，其实验下限在2个标准偏差内与零完全一致。大亚湾实验对探测θ13的设计精度可以小到2.9°(90% 置信度)。大亚湾当时的状况也许可概括为八个字：进度尚好，前途未卜。贻芳和他的同事们后来应该参加过无数国内外的中微子盛会并宣讲θ13发现，然而图1的报告会恰好说明那时这个方向比较清冷。我常对学生讲，应该听听比较冷门的学术报告，因为通常那些听众爆满的热闹会场往往表明：这个研究领域或方向上的原创性发现已经完结。

图2. 王贻芳(左二)于2010年5月在清华大学报告大亚湾中微子实验进展，以及报告主持人和听众。

θ13非零为何如此重要?因为它可以确保存在可观测的 CP 破坏效应。而CP 破坏是解释宇宙中产生已观测到的正反物质非对称性(或称反物质消失之谜)的先决条件之一，目前标准模型的夸克部分的CP破坏则不足以解释这个观测结果。反物质消失的事实非常重要，否则宇航员乘坐飞船到达月亮或者其他星球就有连人带船一起被反物质所湮灭、化为乌有的危险。要在理论上可靠地预言θ13 的绝对大小实际上非常困难，只要输入的假定或者自由参数足够多，θ13 可以取任何值。所以当我们着手研究θ13时，基本上可以跳过当时文献中的所有模型。我们没有孤立地研究θ13，我们的方法是研究非零θ13与非零 θ23 - 45°(即大气中微子混合角θ23 对于最大混合45°的偏离)这两个小量之间的关联。虽然理论无法可靠地预言它们各自的大小，但是我们却从中微子质量矩阵的一种最基本的对称性(μ-τ对称性)的破缺出发预言了两种非零偏离的关联，这样通过实验对θ23 - 45° 偏离的测量数据，我们就可以预言非零的θ13 。不仅如此，我们研究了这种偏离与CP破坏的极为自然的共同起源，并在最小的中微子Seesaw机制中给予定量实现，这还导致了对θ13下限的预言，因为要完满解释宇宙中的正反物质非对称性，就需要一个非零的θ13 以确保CP破坏的存在，我们给出的理论下限是θ13>1°，这个下限有相当的普适性，因为之后我们在不同的理论分析中也得到了类似的结果。这给贻芳的大亚湾探索提供了有益的支持，但还不足以确保其一定能测到，因为上面已经提到的大亚湾实验的设计探测精度是θ13=2.9°。所以2010年我邀请贻芳来清华报告的一个原因也是为了与他进一步讨论关于θ13的探测精度，还有大亚湾无法测量的大气中微子混合角θ23及其对最大混合的偏离。我们的文章arXiv:1001.0940虽然是基于最小 Seesaw机制进行构造，但我们在该文中却进一步认识到了中微子最基本的对称性：任何一个3×3的Majorana质量矩阵，其最大非平庸对称性是Z2(μ-τ)×Z2(solar), 其中Z2(μ-τ)决定了(θ23, θ13)= (45°, 0°);而Z2(solar) 决定太阳中微子角θ12作为它的群参数，但并未固定θ12取值。我们此文构造了Z2(μ-τ)与CP的共同破缺的起源，但保持Z2(solar) 对称性。那时国际中微子理论界流行一种称为TBM (Tri-Bi-Maximal Mixing) 的混合模式，以及能够导出这种模式的各种味道对称群(诸如A4, S4 等等);TBM对应于(θ23, θ13)= (45°, 0°) 和θ12=35.3°。这也可以理解，因为那时实验上尚未显示非零θ13的任何迹象。不过TBM一开始就不是我关心的对象，所以我很庆幸我从未追随过国际上这方面的流行文献，也为此节省了时间。

图3."大亚湾时代的中微子物理"会议海报。

我感到欣慰的是，那次贻芳的报告之后不到三个月，李政道先生和他在哥伦比亚大学的合作者R. Friedberg 发表了一篇引人注目的文章( http://arxiv.org/abs/1008.0453 )，提出了另一个预言θ13和θ23 - 45° 两种非零偏离关联的机制(称为带电轻子的微扰方法)，李先生和Friedberg的文章把我们论文(arXiv:1001.0940)的方法称为中微子微扰的 GHY 方法，并把两种预言的差别作了定量比较，他们指出包括大亚湾等正在进行中的实验将对这两种预言给出甄别。也因为我与李先生和Friedberg通过这一研究方向的交流，李先生很赞赏我们的工作，于是李先生委托我和贻芳联合高能所、清华和北大在中国高等科学技术中心CCAST 组织一个全国性的中微子研讨会。我与贻芳、叶铭汉先生、和北大马伯强老师商量把这个会议取名为"大亚湾时代的中微子物理"(Neutrino Physics in Daya Bay Era) , 得到李政道先生赞同。这个名字对大家是一个勉励，但明显有些超前，因为那时大亚湾尚未锁定发现非零θ13的桂冠。李先生亲自参加了这个会议并作了精彩开幕报告，他的报告题目与他的新论文 arXiv:1008.0453 正好一致。这个会议于2010年11月召开，我们邀请了国内所有研究中微子物理的实验和理论同行参加这个研讨会并报告相关工作，还有关心大亚湾实验进展和中微子物理前沿的高能物理界同行和青年学生，虽然仅有几位同事因事未能参加。图2是这个会议的海报，上面还有首场学术报告会的日程，从报告题目就容易看到，当时并非所有的报告人都关心θ13 , 原因很简单：那时实验上既未显示非零θ13的迹象，理论上也很难可靠地预言其绝对大小。

那之后我们继续发展了这个方向的研究，并在2011年4月发表了一篇长文( http://arxiv.org/abs/1104.2654 )，继续研究掌控这两种非零偏离(θ13 和θ23 - 45°)的基本μ-τ对称性与CP对称性破缺的共同起源。我们通过最小Seesaw机制进行了分析，也进行了模型无关的分析，这与我们前一篇文章 (arXiv:1001.0940) 正好互补。其中一个关键结果是我们预言了关于θ13 和θ23 -45° 非零偏离的一种新的关联，这种关联更强，从而预言了较大的θ13 取值区域，与两个月后公布的日本T2K和美国MINOS中微子实验结果符合很好。例如，我发现只要大气中微子角发生 |θ23 -45°| =1° 的偏离，这种关联就预言θ13达到6°—9°范围。让高能界振奋的是2011年6月日本T2K 中微子实验发表了关于θ13 的新结果，表明θ13 中心值在 9°—11° 之间，而且θ13 >0° 的信号超出背景2.5个标准偏差。随后美国MINOS 实验也发表了支持非零θ13 的结果，但其置信度弱一些，为1.5个标准偏差。不幸的是日本在2011年3月11日发生的9.0级大地震，T2K加速器中微子实验装置惨遭损坏，2011年6月发布的结果主要是使用了其 Run-2在2010年年末到2011年3月11日地震之前的数据采集。然而这也给大亚湾和韩国RENO两个反应堆实验带来幸运。因为 T2K 诱人的初步结果首次显示了非零θ13的蛛丝马迹，而且其中心值高达9°—11° 左右。这也强烈暗示了大亚湾根本无需等待安装预期计划的所有8个探测器就可以提前运行和采取数据。后来这也的确是贻芳团队采取的方案，他们在2011年底之前安装了6个探测器，从圣诞节开始取数，仅仅55天之后就获得了5.2个标准偏差的突破性发现，得出θ13 的中心值为 8.8°。2012年3月8日大亚湾发布这个轰动性结果之后一个月左右，韩国RENO实验组也在惊讶之后赶紧公布了一个新结果，测出非零θ13 达4.9个标准偏差，中心值在9.8°。这次突破奖的分享者中有T2K，而没有RENO，这也在预料之中。RENO的确有些遗憾，因为他们2011年取数要早得多，不过其原因就不在这里讨论了，因为我的实验同行们对此必有更确切的答案。我倒是可以顺便提一下我们组的理论研究在2011年6月 T2K 和 MINOS 结果之后做了什么。T2K的实验提示的较大θ13中心值使我猜测θ13与另一个偏离45° - θ12 (即太阳中微子混合角对最大混合的偏离)之间的内在关系。于是我把我们的出发点选定在研究对于中微子双最大混合BM (Bi-Maximal Mixing), (θ12, θ23) = (45°, 45°) 和θ13=0°, 的偏离。BM混合方案在1998年就有人提出，但之后该方案被θ12实验数据(θ12 = 34°—35°)所排斥，逐渐被学界所遗忘，人们都转向其他流行方案。但我们没有盲从，自2011年夏天另辟蹊径重新研究BM，并寻找能够预言BM的最小有限群和它的破缺机制。国庆后，我们首次证明了在BM模式下能够完整包含中微子最大对称性 Z2(μ-τ)×Z2(solar) 的最小有限群是Octahedral Group Oh (八面体群)，而既不是流行的A4，也不是S4。我们关键思想的下一步是要恰当地破缺Oh 群从而使其子群Z2(μ-τ)×Z2(solar) 的破缺量θ13和45° - θ12 发生关联。经过大量尝试，我们成功给出了八面体群的构造和它极为简洁漂亮的几何破缺机制，并预言如下定量关系：θ12 + θ13 = 45° 或者θ13 = 45° - θ12，其中没有自由可调参数。再考虑重整化群跑动对θ12 + θ13的修正，我们可预言低能测量值θ12 + θ13 ≈ 43°。因为那时θ12已被之前的中微子实验所精确测量，因此能够定量预言θ13的取值范围。输入θ12 实验中心值给出θ13 ≈ 8°—9°。 2011年12月从CERN又传来了LHC找到希格斯粒子初步迹象的重大消息，我的精力被分割;而大亚湾实验的运行当时对外保密，所以我未能将这一研究的短文及时定稿。2012年3月8日传来大亚湾发现θ13 的突破性结果，给了我们一个惊喜，几天之后我们组于3月13日发表了这篇短文( http://arxiv.org/abs/1203.2908 )，此文还同时预言了最大CP破坏相角 |δ| ≈ 90°，与目前T2K的初步结果一致。近年来我们一直在研究CP破坏，这里就不打算提及了。

碰巧的是，大亚湾宣布新发现刚刚一个月之后，贻芳再次应邀来到清华大学报告，这时报告厅已经人满为患，到场的还有薛其坤副校长(当时是物理系主任)等许多其他专业的老师和同学们，与两年之前(图2)形成对比。报告后在清华东门外的宴铭园餐厅二楼晚宴时，我和其坤等几位同事都向贻芳热烈祝贺，当晚还破例喝了红酒，大家坚持要贻芳痛快喝一杯，于是就建议贻芳不要自己开车，并安排了清华一名司机开贻芳的车送他回家。

值得提到的是，作为大亚湾共同发言人的陆锦标教授恰好是清华大学工程物理系的长江讲座教授，他多次从伯克利来清华访问和工作，在清华高能物理中心就中微子进行过多次系列讲演，还参加博士答辩。例如，锦标2007年6月在清华高能物理中心作了中微子物理系列讲座，其最后一讲(第10讲)是关于三种味道中微子振荡和大亚湾实验探测混合角θ13。图4是这一报告的首页，作为一个纪念。2010年他在清华举办了暗物质的系列讲座。锦标的讲座深入浅出，生动有趣，而且相当系统。他为清华的人才培养作出了重要贡献。

图4.2007年6月陆锦标在清华高能物理研究中心作中微子物理系列讲座，这是他的第10讲报告的首页，讲解三种味道中微子振荡和大亚湾实验探测中微子混合角θ13。

我和锦标一直保持学术上的联系和交流，特别是在2012年3月之前的那些年头，我们在2011年文章arXiv:1104.2654的致谢中还专门提到与他和贻芳以及曹俊有益的讨论。有意思的是，我在2012年还推荐过一名清华本科生到锦标的伯克利实验组里实习，后来这名学生先后被伯克利和斯坦福大学录取。虽然他最后去了斯坦福大学攻读博士，但是我相信他跟随锦标老师在伯克利学习中微子实验的经历对他日后的研究生涯也是很有裨益的。

前面已经提到发现非零θ13非常重要，是因为它可以确保存在可观测的 CP 破坏效应。而CP 破坏是宇宙中产生正反物质非对称性的一个重要前提。大亚湾发现的重大物理意义还在于其测定的非零θ13 值比较大，中心值在θ13 ≈ 8°—9° 之间，远远大于夸克部分的相应混合角θ13 (它只有大约 0.23°)，两者相差近40倍!这样一个显著非零的θ13 的重要物理意义在于给下一步探测轻子部分可能的 CP 破坏效应带来了新的希望，提供了一块发现CP 破坏的奠基石。进一步发现中微子 CP 破坏将是高能界公认的下一个诺奖级工作，虽然其难度更大。因此，大亚湾的发现被国际同行普遍认为是中国物理学史上最重大的科学发现，这一发现在其公布的2012年就立即被美国《科学》杂志与当年的 LHC 希格斯粒子发现一同列入"世界十大科学突破"。其中希格斯发现位列第一，大亚湾发现排在第五位。希格斯发现于 2013 年毫无悬念地荣获诺奖，而大亚湾发言人王贻芳和陆锦标则于 2013 年入选美国物理学会潘诺夫斯基实验物理奖。高能界行内对于今年诺贝尔奖只发给首次揭示中微子振荡的两个团队并不感到意外，但是作为同行，我们都知道下一个诺奖级的工作将很可能是关于中微子 CP 破坏的发现，以及在无中微子双贝塔衰变实验中可能首次确证中微子是 Majorana 中微子，当然这两种实验难度都很大，不过我对中微子 CP 破坏的前景看好。另外一个令人瞩目的方向是南极的冰立方(IceCube)实验，亦称为中微子望远镜实验，自2013年探测到超高能天文中微子(TeV-PeV)信号，开启了中微子天文学的时代。这是另一个有望问鼎诺奖的实验方向。这里就不再介绍了。

值得提到，这几天更让高能物理界感到欣慰的是"突破奖"把300万美元的大奖发给了在发现中微子三种振荡与混合模式的测量中作出突出贡献的 5 个实验团队，这是诺奖评委会不会做、也做不到的事。虽然"突破奖"的宣布比诺奖刚好晚了一个月，但贻芳告诉我，他早在8月10日就得到了评委会的电话通知，可见"突破奖"在决策上超前诺奖的眼力与果断。此外，行内稍有常识的人们心里都知道，2015年诺奖已颁给中微子振荡的首次发现，看来也只颁这一次。按照贻芳的合作组同事曹俊对大亚湾的说法，诺贝尔奖一般是给意想不到的发现，前两次是给了发现新的中微子，然后是首次发现中微子振荡。"和前者相比，这个实验分量要轻。设计的时候，就知道不是诺贝尔量级的。"最近人们都在询问贻芳关于中微子的下一个梦想是什么?答案是江门中微子实验(JUNO)，它将测量三种中微子的质量排序，其规模比大亚湾实验大100倍，计划在2020年竣工，并进入探测阶段。这是一个很重要的测量，虽然也不是一个诺奖级别工作。也许有兴趣的读者可以尝试把大亚湾和以后的江门两个实验的结果加在一起掂量一下。不过，据我所知，贻芳还有一个关于中国高能物理与科学发展更宏大而雄伟的梦想，这在上个月波士顿国际出版社发行的一本英文新书《From the Great Wall to the Great Collider》中作了系统介绍，可供读者参考。这本书的取名来自于诺奖得主 David Gross 的一个建议。

在2015年诺奖宣布之后刚刚一个月，"突破奖"对中微子三种振荡与混合模式的系列重大发现给予再次嘉奖、而且是进行更加全面的嘉奖。该奖的决策早在8月初就敲定了。这一非常及时而且果断的举措，是对整个高能物理界那些为探测这种神奇的"幽灵粒子"而共同艰苦奋斗的探索者们的最高赞扬与奖赏! 展望未来，我对中微子物理的前景表示乐观。基于以上评述，我们的确可以期盼中微子领域的下一个重大突破性发现。纵观科学发展史，物理学的成功，特别是粒子物理学的成功，显然在于物理学中不同分支的交融，在于粒子物理学与其他学科的交融。中微子领域的辉煌成就也恰恰得益于它与宇宙学、天文学、核物理等领域的密切交融。大自然是一个无法机械割裂的有机整体，认识其深刻性、丰富性和关联性的确需要以全局的方法进行多视角的探索，需要超越传统意识中狭隘的学科划分观念，这是实现创新的一个重要前提。中微子振荡的突破性发现标志人类认识大自然的又一新起点，这还远未穷尽大自然的宝藏，让我们感谢美丽大自然的神奇与慷慨!

致谢：作者感谢贻芳在百忙中阅读本文和提出有益的建议。

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