爱华网中微子共有三种，是组成物质世界的十二种最基本粒子中性质最为特殊，被了解得最少的。它不带电荷，几乎不与物质相互作用。长期以来，人们认为中微子没有质量，而且跟DNA只有右旋一样，只存在左旋中微子，从而导致了微观世界的左右不对称。
最近的物理研究表明中微子具有微小的质量。1998年，日本的超级神岗实验（SuperKamiokande）以确凿的证据发现中微子存在振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释。中微子发生振荡的前提条件就是质量不为零和中微子之间存在混合。2001年，加拿大的SNO实验通过巧妙的设计，证实丢失的太阳中微子变成了其它种类的中微子，而三种中微子的总数并没有减少。同样的结果在KamLAND（反应堆）、K2K（加速器）这类人造中微子源的实验中也被证实。Super-K实验与Homestake太阳中微子实验于2002年获得了诺贝尔奖。
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。中微子的产生和探测都是通过弱相互作用，而传播则由质量本征态决定。由于存在混合，产生时的弱作用本征态不是质量本征态，而是三种质量本征态的叠加。三种质量本征态按不同的物质波频率传播，因此在不同的距离上观察中微子，会呈现出不同的弱作用本征态成分。当用弱作用去探测中微子时，就会看到不同的中微子。
中微子振荡示意图。一个电子中微子具有三种质量本征态成份，传播一段距离后变成电子中微子，缪中微子，陶中微子的叠加。
中微子的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），包括三个混合角q12、q23、q13，两个质量平方差Dm221、Dm232，以及一个电荷宇称相位角dCP。通过大气中微子振荡测得了q23与|Dm232|，通过太阳中微子振荡测得了q12与Dm221。在混合矩阵中，只有下面的两个参数还没有被测量到：最小的混合角q13、CP破缺的相位角dCP。目前测得的q13的实验上限是：sin22q13<0.17（在Dm231 = 2.5×10-3eV2下），由法国的Chooz反应堆中微子实验给出。
大气中微子振荡 |Dm232| = 2.4´10-3 eV2 sin22q23 =1.0
太阳中微子振荡 Dm221 = 7.9´10-5 eV2 tan2q12 =0.4
反应堆/长基线中微子振荡 dCP 未知 sin22q13 < 0.17
q13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CP破缺的物理效应都含有因子q13，故q13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sin22q13等于1%～3%的话，则中微子的电荷宇称（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。q13接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。因此不论是测得q13，或证明它极小（小于0.01），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极为重要的意义。
q13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，中微子振荡几率跟q13、CP相角、物质效应、以及Dm232的符号有关，仅由一个观测量实际上无法同时确定它们的大小。而反应堆中微子振荡只跟q13相关，可以干净地确定它的大小，实验的周期与造价也远小于长基线中微子实验。从Reines和Cowan第一次发现中微子到第一次在KamLAND观测到反应堆中微子振荡，在这50多年历史中，反应堆中微子实验一直扮演着重要角色。特别是最近的PaloVerde、CHOOZ、以及KamLAND几个实验的成功，给未来的反应堆中微子实验提供了很好的技术基础，使q13的精确测量成为可能。
二.中微子振蕩
實驗觀測
科學家應用不同的儀器對各能量級的微中子進行測量，如今微中子振盪已被多方面的實驗所證實。
[編輯]太陽微中子振盪
在以美國科學家雷蒙德·戴維斯（RaymondDavis Jr.）領導的 Homestake 實驗機中，發現觀測到的微中子流量與標準太陽模型預測的不符（太陽微中子問題）。這是實驗中人們第一次觀測到和微中子振盪有關的現象。隨後，更多基於使用放射性元素和水契忍可夫放射偵測器的實驗證實了同樣的現象。直到2001年加拿大薩德伯里微中子天文台的測量結果發表[1]，人們才能夠充分的證實這數量上的不符是由微中子振盪引起的。
太陽微中子的能量及一般在20兆電子伏以下，傳播距離為太陽和地球之間的距離。在5兆電子伏以上，太陽微中子的振盪通過在太陽體內的振盪而產生MSW 作用，這與下文中將會提到的真空振盪是兩個不同的過程。
[編輯]大氣層微中子振盪
早期 IMB，MACRO 和日本的神岡偵測器均觀測到從大氣層中放射出的μ微中子與電子微中子比例的偏差。此後超級神岡偵測器在此基礎上進行更為精確的測量，能量覆蓋幅度由百萬電子伏至億萬電子伏，基線長度為地球的半徑。
[編輯]核反應爐微中子振盪
核反應爐實驗可以用來偵測反電子微中子的振盪。此類實驗中最突出的是KamLAND。反應爐中產生的反微中子和太陽微中子的能量級相當。此類試驗的基線長度短至數十米，長至數百公里。
[編輯]粒子束微中子振盪
利用加速器產生的微中子束可使實驗相對更容易人為控制。此類的實驗觀察與大氣層微中子振盪同樣的現象，基線長度多為數百公里。微中子在此類試驗中的能量級為數十億電子伏。MINOS的最新報告指出其觀測結果與 K2K 及 SuperK 的相符合。
早期 LSND 機器發表了非常具有爭議性的觀測結果。 新設計的 MinibooNE 實驗機於2007年初發表的結果駁回了LSND 的所謂兩微中子模型。
正在設計中的 T2K 實驗將利用295公里長的基線和 SuperK偵測器來測量一參量θ13，預期2009年開機。類似的 NOvA 利用810公里長的基線和 MINOS偵測器。
[編輯] 理論解釋
微中子振盪的概念與中性 K 子系統中的振盪相似，最早由理論物理學家布魯諾。龐蒂科夫（BrunoPontecorvo）於1957年提出。以下將會討論到的整套原理由他在1967年發表。一年後太陽微中子問題首次被觀測到。接著格利波夫（Gribov）和龐蒂科夫（Pontecorvo）於1969年聯合發表了一篇著名的文章《微中子天文學與輕子電量》。
振荡的中微子 |
中微子物理是当今粒子物理、天体物理与宇宙学的交叉前沿与热点。在通过实验发现了中微子振荡后，人们认识到深入研究中微子振荡，是探索粒子物理标准模型之外新物理的突破口与关键。以“中微子振荡与反应堆中微子实验”为主题的第250次香山科学会议日前在北京举行，会议执行主席、中国科学院高能物理研究所所长陈和生研究员就有关问题接受了记者的采访。 记者(潘锋)：请您简单介绍一下中微子物理与中微子振荡。 陈和生：中微子质量非常轻，不带电荷，只参与弱作用，因此与物质相互作用十分微弱。由于探测中微子很困难，需要用体积庞大的探测器，长期以来人们对中微子的认识最少也最晚。 大量的研究发现证实，大多数粒子物理和核物理反应都有中微子产生，如太阳的热核反应、粒子和原子核衰变、核反应堆、超新星爆发、宇宙线中的质子在大气层产生的簇射…… 中微子在宇宙总质量的比例与通常的物质相近，被认为是热暗物质。尽管中微子仅参与非常微弱的弱相互作用，但却在最微观的粒子物理规律和最宏观的天体物理、宇宙起源及演化中都起着十分重大的作用。如宇宙大爆炸产生的中微子充斥着整个宇宙，平均每立方厘米有300多个，足见中微子在物质世界中的地位。 中微子物理研究领域的几次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。 记者：中微子振荡研究有什么科学意义？ 陈和生：在粒子物理的标准模型中，中微子是没有质量的。中微子振荡的发现，第一次突破了粒子物理的标准模型，打开了寻找新物理的窗口。中微子混合机制中的CP（电荷宇称共轭）破坏效应，很有可能能够解释宇宙中物质与反物质的不对称。 每一种新的天文观测手段的应用，都会带来大量的新发现。中微子物理的发展，同样提供了一种全新的天文观测手段。与光信号和电磁信号不同，中微子由于相互作用非常微弱，在星体内部一经产生，便不受遮拦地传播出来，且不受宇宙中磁场的影响，因此中微子带有“纯正”的星体内部的信息。科学家通过中微子可以直接了解星球内部的信息，并通过超新星爆发等物质效应，有 可能直接了解黑洞的形成过程。目前，许多中微子望远镜已经开始投入运行或在建造之中。 在地壳和地核中的放射性元素的衰变会产生中微子，中微子振荡还提供了一种新的地质观测手段，测量这些来自地球深处的中微子振荡的物质效应，将有助于人们了解地球的形成、构造以及地热的产生。有人建议，在澳大利亚附近的大洋深处，在远离所有反应堆的地方建立一个专门的探测器来探测地下的中微子。此外，由于中微子的相互作用非常弱，而且中微子对质量微小变化极为敏感，已经有人提出利用中微子振荡来研究暗能量，并认为暗能量的效应可能通过改变中微子的质量体现出来。 反应堆中微子实验是研究中微子振荡的重要手段。我国的大亚湾核电站与岭澳核电站共有4个反应堆，总热功率11.6GW，是世界第十大的反应堆群。到2010年岭澳二期建成后，总功率为17.4GW，将成为世界上第二大的核电站群。大亚湾核电站紧邻高山，可以提供中微子实验必需的宇宙线屏蔽。世界上其它的可用来做反应堆中微子实验的核电厂附近都缺乏足够的岩石覆盖，这是大亚湾的一个巨大优势。我国高能物理学家认真分析已有的反应堆中微子实验的经验和教训，进行了大量深入的研究和计算，并进行了多次实地考察，提出了利用大亚湾反应堆群测量进行中微子实验的设想，是目前世界各国方案中精度最高的实验方案。大亚湾反应堆中微子实验投入相对较少而物理意义重大，有可能获得重大创新成果，是中国基础科学研究难得的重大发展机遇。（科学时报，2005-4-19） |
