大亚湾与江门中微子实验

中微子物理是粒子物理中最活跃的分支之一,存在众多未解之谜,可能成为超出标准模型的新物理的突破口.本文总结了中微子物理的现状和主要的科学问题,着重介绍了我国正在进行的大亚湾中微子实验和建造中的江门中微子实验.通过研究反应堆中微子,2012年大亚湾实验发现新的中微子振荡,测得了中微子混合角13.本文介绍了大亚湾实验的物理背景和项目背景,简述了实验方法和设计思想,并描述了探测器设计和建造.许多新的想法和技术创新在探测器设计与建造中采用,使探测器相关的相对误差仅为0.2%.在未来几十年内,大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度.江门中微子实验2008年提出建议,2013年正式启动.通过在53 km处探测反应堆中微子振荡,它将能确定中微子质量顺序,并精确测量3个中微子混合参数.采用一个设计能量精度为3%的2×104 t液体闪烁体探测器,江门实验在研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子、以及奇异现象寻找方面也极具吸引力.它将对多个物理目标进行国际领先水平的研究.文中我们介绍了实验设计和研发的进展.除了大亚湾和江门实验,我们也参与了无中微子双贝塔衰变实验EXO,设计了一个新式的加速器中微子束流线,进一步扩展了中微子研究.     

从大亚湾到江门中微子实验

中微子振荡现象是当前粒子物理领域的研究热点.中微子振荡的发现确认了中微子具有微小的质量,这也成为探索超出标准模型新物理的重要途径.大亚湾反应堆中微子实验是研究短基线反应堆中微子振荡的地下实验,其利用远近点全同探测器对反应堆中微子事例率及能谱进行相对测量,以降低探测器关联误差及反应堆中微子流强预期误差.大亚湾反应堆中微子实验在2018年使用1958天的数据公布了中微子振荡参数sin~22θ_(13)与|?m_(32)~2|的最新结果,其中sin~22θ_(13)参数为目前最高的测量精度,达到了3.4%,|?m_(32)~2|的精度为2.8%,其与MINOS, NoνA及T2K等基于加速器中微子的实验测量精度相当.θ_(13)的精确测量将有利于下一代中微子实验确定中微子质量顺序以及测量CP破坏相角等未知的中微子振荡参数,其中包括了我国正在建设的江门中微子实验.它的主要科学目标是通过在中等基线下精确测量反应堆中微子能谱来确定中微子质量顺序.探测器可以实现3%的超高能量分辨率和小于1%的能标误差,从而在6年的取数时间内以3–4σ的置信度测量中微子质量顺序.此外江门中微子实验也将精确测量中微子振荡参数,同时将在超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、地球中微子、核子衰变等物理研究领域做出重要的贡献.     

中微子混合、振荡参数计算及物理机制分析

粒子物理的标准模型认定中微子静质量mv=0，超神冈实验指出mv≠0，据此用第一代中微子的质量mv,(即“反常质量”)，导出二、三两代中微子的“反常质量”mvμ，mvτ．进而求出中微子混合的重要参数：代际中微子质量平方差(m^2vi-m^2vj达量级之大(i≠j)，卡比玻角θc亦与夸克混合角相近，认为中微子应存在混合和振荡．并对混合和振荡的物理机制作了讨论．     

在电弱能标范围内右手中微子质量模型的研究

粒子物理的标准模型并不是完美的，对大气中微子流和太阳中微子流的测量提供了中微子振荡的证据，证明中微子非简并的质量和混合．研究了Hung模型，并计算了muon衰变的振幅．     

中微子振荡 目前的状况和未来的计划

本书所汇编的文章简略地描述了在这个重大发现的近10年中我们对中微子振荡的理解。而中微子振荡的研究代表了超出标准模型的3个无质量中微子的新物理。它意味着中微子必须有质量。     

2002年100条科技新闻为首是“克隆”

2003年1月号美国《发现》杂志评出了2002年最重要的100条科技新闻,其中前十位是,基因:2002年——“克隆年”,物理:中微子之谜,环境:人口爆炸增长问题,物理:反物质,医学:布什总统——“有限度”地进行胚胎干细胞研究,航天:美国宇航员最终在火星上发现了水,数学:极大素数问题与因特网安全,环境:饮用纯净的水,人类起源:早期人类的脑很小,天文:宇宙大爆炸。     

中微子:穿越地球的精灵

<正>"假设中微子是一群普通青年,他们"十一"去郊游,到了目的地却发现人只剩下1/3,其余2/3不见了。后来,人们发现普通青年没丢,只是变成了文艺青年和2B青年,这就叫中微子振荡"10月6日,日本研究者梶田隆章和加拿大研究者阿瑟·麦克唐纳因在发现中微子振荡方面作出的重要贡献,而摘得2015年诺贝尔物理学奖。那么,中微子振荡到底是个啥?开启物理新世界的钥匙要了解中微子振荡,就必须先知道"标准模型"。在粒子物理中,该     

爱因斯坦探针探测keV能段暗物质信号的展望

探索暗物质的物理本质是当前天体物理学与粒子物理学的共同核心任务之一.质量落在keV能区的惰性中微子是热门的暗物质候选粒子之一,在粒子物理、天体物理和宇宙学中均扮演重要的角色.通过辐射衰变,keV惰性中微子释放出一个单色光子,其能量恰为惰性中微子能量的1/2,这一性质对惰性中微子的探测提供了可行的途径.2014年,一个国际合作团队利用XMM-Newton卫星数据在近邻星系团中探测到了峰值能量为3.5 keV的弱发射线信号,并提出这是惰性中微子暗物质的衰变信号.然而,对此发现的后续研究由于现有X射线数据信噪比的限制无法得到一致的结论.爱因斯坦探针卫星独特的大视场巡天将覆盖若干近邻大质量星系、星系团,对3.5 keV信号获得高置信度的探测或有效排除,并可对暗物质在keV能段的可能信号开展高灵敏度搜寻.     

中微子实验:追寻粒子世界的"隐世高手"

中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子,从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间. 中微子非常重要,它拯救了能量守恒定律,也向现代粒子物理的"标准模型"提出了挑战.中微子不仅数量很多,而且它有无质量对粒子物理和宇宙学有巨大的影响.     

中微子物理 中国科学家谈科学

中微子的性质对粒子物理和宇宙学及其重要,但我们对它了解得太少。同时中微子也是天体物理研究不可缺少的探针,因而成为国际上粒子物理、天体物理与宇宙学研究的热点。     

大亚湾时代的中微子物理

 大亚湾中微子实验发现了中微子第三种振荡模式,成为了中国物理学史上新的里程碑式发现,大亚湾的实验者们迎来了全世界的注目和掌声。这项成果不仅令实验者欢欣,还鼓舞了中国另一支研究力量——他们一直在中微子乃至粒子物理理论领域深耕,追踪大亚湾这样大型实验的进展,通过理论预言实验结果或者通过实验结果验证理论预言,去伪存真,一步步靠近人类苦苦探寻的自然规律。只是他们的研究成果不能被迅速验证是否成功,因为一项理论的突破往往要经过漫长的考验。此次大亚湾中微子实验的成功加速了中微子物理理论研究的进展,可以说为中微子研究开启了新的时代。     

中微子星

宇宙中存在大量中微子。这些中微子除了以中微子背景辐射(每立方厘米数百个,温度约2°K)和宇宙线的形式存在外,还能以中微子星的形式存在。由于引力不稳定性,中微子可能积聚成恒星。这里的一个必要条条件是中微子静质量不为零。1979年4月南京高能天体物理讨讨班上我们指出,对中微子除了左手分量外引进右手分量,对反中微子除了右手分量外引进左手分量,和目前粒子物理实验并不矛盾,因而假定中微子     

中国将启动江门地下中微子实验

继大亚湾反应堆中微子实验之后,由中国主持的第二个大型中微子实验——江门地下中微子实验将于今年年底动工。由来自全世界50多个科研机构和大学的200多位科学家组成的江门地下中微子实验国际合作组近日正式成立。中微子是一种基本粒子,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中都扮演着极为重要的角色。2012年,由中国科学家主持的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子第三种振荡模式。     

中微子研究新进展

自从前苏联的V. Lubimov（1980年）和瑞士苏黎世大学的W. Kundig（1986年）发表了关于中微子质量的研究以来，进一步的工作已在日本等国展开；现在有一批实验室在进行中微子研究。文章论述了两个关键问题，即光子与中微子的相似性和令人感兴趣的超光速中微子理论。     

宇宙深处:探索高能天文中微子之谜——访冰立方中微子天文台徐东莲

 美国东部时间2018年7月12日11时，冰立方中微子天文望远镜团队宣布天文学领域的又一重大发现：架设在南极的望远镜实时预警系统于世界协调时间2017年9月22日20：54：30.43探测到一个能量约为290 TeV的高能缪子中微子（muon neutrino），并命名为Ice-Cube-170922A。这是首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。对此本刊专访了曾在冰立方中微子天文台工作的青年科学家徐东莲博士，目前是李政道青年学者和上海交通大学物理与天文学院特聘副教授，研究方向为高能天体中微子和中微子天文。     

中微子研究回顾和一些进展

中微子振荡是存在有超出标准模型的新物理的第一个直接证据。本文回顾了中微子理论与实验研究的发展历程,重点介绍了中微子混合矩阵参数化的发展,进一步讨论了带电轻子的味破坏。     

首次确认太阳能量产生模型

正太阳内部的巨大能量来自两种核聚变过程。一种是质子-质子链(proton-protonchain)反应,约贡献99%的能量;另一种是碳氮氧循环(CNOcycle),仅贡献1%的能量。2014年,科学家们探测到了第一种反应中产生的中微子,而一项于2020年11月26日发表在Nature上的研究称,碳氮氧循环中的中微子也已被成功探测,这意味着,太阳能量产生方式的理论模型已被实验完全证实。     

中微子获得质量和电荷的物理根源

解释了中微子获得质量和电荷的物理根源,它是中微子内部亚夸克动力学所导致的结构性效应,中微子点模型不能对此作出解释。     

物理学中的负质量和虚质量问题

由引力论中“负质量佯谬”的讨论可导致牛顿引力定律推广到有反物质和反引力的情形,使理论对m→(-m)变换具有不变性。由质量的解析延拓mo→ims看出超光速粒子的存在,进而为超光速中微子建立一个“三味振荡”的最小模型,它可能解释最近发表的太阳中微子等实验结果。这两种对称性反映了物理中引入i的必要以及i与(-i)的对称性。最后对中微子在天体物理研究中的地位也作了一些猜测性的讨论。     

天体粒子物理新世界

2002年2月5～7日在葡萄牙Algarve大学召开了“第四次天体粒子物理新世界国际会议”，这次国际会议的每个分会都对当前各领域状况做了一个综述，会上讨论的内容包括宇宙学参数、中微子物理和天体物理、引力波、宇宙线起源、传播和交互作用、极端状态下的物质、超新星和暗物质等。各领域的专家介绍了疏远超新星和宇宙学背景辐射近期成果，引力波探测新计划，国际空间站极高能宇宙线检测情况，