差,3 个 混 合 角, 和 1 个 CP 破 坏 相 角 太 阳 中 微 子 实 验 测 得 了 m 2 2 -m 2 1 =7.5 10-5 ev 2 和 混 合 角 sin 2 2q 12 =0.86, 大 气 中 微 子 实 验 测 得 了 m 2 3 -m 2 2 =2.4 10-3 ev

. 科 学 家 在 想 什 么. 中 微 子 通 往 新 物 理 之 门 曹 俊 ( 中 国 科 学 院 高 能 物 理 研 究 所 100049) 希 格 斯 粒 子 被 发 现 之 后, 粒 子 物 理 进 入 了 一 个 新 的 阶 段 希 格 斯 粒 子 是 粒 子 物 理 标 准 模 型 的 最 后 一 个 组 成 部 分, 它 的 发 现 意 味 着 一 个 时 代 的 结 束, 也 预 示 着 一 个 新 时 代 的 开 启 标 准 模 型 是 系 统 地 描 述 整 个 粒 子 物 理 经 过 大 量 实 验 检 验 的 理 论 体 系 建 立 标 准 模 型 的 相 关 工 作 已 获 得 了 18 次 诺 贝 尔 奖 找 到 希 格 斯 粒 子 之 后, 标 准 模 型 趋 近 完 善, 具 有 优 美 的 结 构 和 惊 人 的 预 言 能 力 ; 另 一 方 面, 却 存 在 暗 物 质 暗 能 量 宇 宙 正 反 物 质 不 对 称 性 中 微 子 质 量 等 一 些 标 准 模 型 无 法 容 纳, 或 者 难 以 解 释 的 现 象, 说 明 必 定 存 在 着 标 准 模 型 之 外 的 新 物 理 在 标 准 模 型 中, 中 微 子 是 没 有 质 量 的 中 微 子 振 荡 的 发 现 说 明 中 微 子 有 质 量 这 是 目 前 发 现 的 唯 一 有 坚 实 实 验 证 据 超 出 标 准 模 型 的 现 象 中 微 子 中 微 子 共 有 三 种, 分 别 是 电 子 中 微 子 m 中 微 子 t 中 微 子 在 标 准 模 型 中 它 们 的 质 量 为 零 1956 年 李 政 道 和 杨 振 宁 预 言 弱 作 用 宇 称 不 守 恒, 即 空 间 的 左 右 不 对 称, 很 快 被 吴 健 雄 用 实 验 证 实 实 验 也 发 现 在 弱 作 用 中 宇 称 不 仅 不 守 恒, 而 且 是 最 大 破 坏 的 造 成 这 一 现 象 的 原 因 实 质 是 只 存 在 左 手 螺 旋 度 的 中 微 子 ( 即 它 的 自 旋 总 是 与 运 动 方 向 相 反 ), 不 存 在 右 手 中 微 子 这 只 有 中 微 子 质 量 为 零 才 能 成 立, 因 为 质 量 不 为 零 的 话, 那 么 中 微 子 的 速 度 必 然 小 于 光 速, 可 以 选 择 一 个 比 它 还 快 的 参 考 系, 让 它 的 螺 旋 度 发 生 翻 转 根 据 这 一 现 象, 李 政 道 和 杨 振 宁 提 出 了 中 微 子 的 二 分 量 理 论, 该 理 论 又 催 生 了 弱 作 用 的 V-A 理 论, 被 标 准 模 型 所 继 承, 与 各 种 实 验 数 据 符 合 得 非 常 好 因 此, 在 标 准 模 型 中, 中 微 子 是 没 有 质 量 的 然 而,1998 年 日 本 超 级 神 冈 实 验 (Super-K) 发 现 大 气 中 微 子 存 在 振 荡 现 象, 即 中 微 子 在 飞 行 中 可 以 变 成 其 他 种 类 的 中 微 子 与 更 早 的 太 阳 中 微 子 失 踪 之 谜, 稍 晚 的 SNO( 太 阳 中 微 子 ) KamLAND( 反 应 堆 中 微 子 ) K2K( 加 速 器 中 微 子 ) 等 实 验 的 结 果 一 起, 形 成 了 中 微 子 振 荡 的 坚 实 证 据 中 微 子 振 荡 说 明 中 微 子 有 质 量, 只 不 过 它 非 常 非 常 小, 以 至 于 现 有 技 术 还 不 能 直 接 测 出 来 将 中 微 子 质 量 纳 入 标 准 模 型 中 看 上 去 不 是 大 问 题, 像 电 子 一 样 给 它 加 一 个 质 量 项 似 乎 就 可 以 了 不 过 马 上 就 会 碰 到 两 个 问 题 一 个 问 题 是 怎 么 加 中 微 子 自 旋 为 1/2, 是 费 米 子 其 他 的 费 米 子 都 是 带 电 荷 的, 而 中 微 子 不 带 电 这 样, 中 微 子 可 以 像 其 他 费 米 子 一 样, 是 狄 拉 克 粒 子, 有 一 个 狄 拉 克 质 量 项, 也 可 以 是 一 种 特 殊 的 马 约 拉 纳 粒 子, 即 它 的 反 粒 子 就 是 它 自 身, 只 是 螺 旋 度 相 反 另 一 个 问 题 是 中 微 子 质 量 太 小, 如 果 简 单 加 一 个 狄 拉 克 质 量 项, 那 么 它 的 质 量 与 最 重 的 顶 夸 克 相 差 一 万 亿 倍 同 一 个 希 格 斯 粒 子, 既 要 产 生 顶 夸 克 那 么 大 的 质 量, 又 要 产 生 中 微 子 那 么 小 的 质 量, 如 此 悬 殊 的 差 距 让 人 很 难 相 信 有 一 类 很 受 物 理 学 家 喜 欢 的 理 论, 叫 跷 跷 板 机 制, 它 假 定 中 微 子 是 马 约 拉 纳 粒 子, 同 时 存 在 尚 未 被 发 现 的 质 量 远 大 于 电 弱 能 标 的 重 中 微 子, 这 样 中 微 子 的 微 小 质 量 可 以 得 到 很 自 然 的 解 释 不 过 重 中 微 子 是 无 法 填 进 标 准 模 型 的 三 代 结 构 中 的 我 们 把 具 有 确 定 质 量 的 中 微 子 ( 即 质 量 本 征 态 ) 叫 m 1 m 2 m 3, 它 们 与 味 道 本 征 态 电 子 中 微 子 m 中 微 子 t 中 微 子 并 不 一 一 对 应 例 如, 具 有 确 定 质 量 的 m 1 可 以 看 成 是 由 三 种 味 道 的 中 微 子 按 某 种 比 例 组 合 而 成, 而 具 有 确 定 味 道 的 电 子 中 微 子 也 是 由 三 种 不 同 质 量 的 中 微 子 组 合 而 成 正 是 这 种 混 合 导 致 了 中 微 子 振 荡 三 代 中 微 子 的 振 荡 可 由 6 个 参 数 描 述, 包 括 2 个 质 量 平 方 35

差,3 个 混 合 角, 和 1 个 CP 破 坏 相 角 太 阳 中 微 子 实 验 测 得 了 m 2 2 -m 2 1 =7.5 10-5 ev 2 和 混 合 角 sin 2 2q 12 =0.86, 大 气 中 微 子 实 验 测 得 了 m 2 3 -m 2 2 =2.4 10-3 ev 2 和 sin 2 2q 23 1 大 亚 湾 反 应 堆 中 微 子 实 验 测 得 了 最 后 一 个 混 合 角 sin 2 2q 13 =0.09 未 知 的 参 数 还 剩 下 CP 破 坏 相 角 此 外, 大 气 中 微 子 实 验 不 能 确 定 m 2 和 m 3 到 底 谁 更 重, 称 为 质 量 顺 序 ( 或 质 量 等 级 ) 问 题 ; 也 没 有 确 定 q 23 针 对 p/4 的 偏 离 取 向, 后 者 被 称 为 q 23 的 八 分 圆 问 题 通 过 中 微 子 振 荡 只 能 测 出 中 微 子 的 质 量 平 方 差 精 确 测 量 b 衰 变 的 电 子 能 谱 端 点, 或 者 测 量 无 中 微 子 双 b 衰 变 ( 假 如 存 在 这 类 衰 变 的 话 ), 可 以 得 到 中 微 子 质 量 的 另 一 个 关 系, 从 而 限 定 三 种 中 微 子 的 质 量 然 而 这 两 类 实 验 难 度 非 常 大, 近 期 能 够 成 功 的 可 能 性 很 小 普 朗 克 卫 星 最 新 的 宇 宙 学 观 测 给 出 了 三 种 中 微 子 质 量 之 和 的 最 佳 测 量 结 果, 为 0.320±0.081 ev 中 微 子 的 实 验 研 究 大 致 可 以 分 成 两 类, 一 类 是 中 微 子 振 荡 研 究, 另 一 类 是 非 振 荡 物 理, 包 括 绝 对 质 量 的 测 量 无 中 微 子 双 b 衰 变 寻 找 惰 性 中 微 子 寻 找 非 标 准 相 互 作 用 和 反 常 磁 矩, 以 及 中 微 子 天 文 学 等 由 于 标 准 模 型 强 大 的 预 言 能 力, 在 过 去 几 十 年, 不 少 新 粒 子 或 新 现 象 都 是 先 有 理 论 预 言, 再 被 实 验 发 现, 因 此 被 称 为 有 保 障 的 发 现, 包 括 一 些 获 诺 贝 尔 奖 的 发 现 如 W ± 和 Z 0 随 着 希 格 斯 粒 子 的 发 现, 有 保 障 的 发 现 基 本 上 结 或 者 b 谱 端 点 得 到 质 量 关 系 后, 也 束 了, 新 物 理 的 突 破 需 要 更 加 艰 难 不 能 确 定 中 微 子 的 绝 对 质 量 ; 假 如 的 探 索 2012 年, 除 了 希 格 斯 粒 子, 中 微 子 质 量 顺 序 为 正, 我 们 有 可 能 大 亚 湾 实 验 还 发 现 了 一 个 较 大 的 中 永 远 无 法 通 过 无 中 微 子 双 b 衰 变 实 微 子 混 合 角 q 13 这 绝 对 是 一 个 好 验 来 确 定 中 微 子 是 狄 拉 克 粒 子 还 是 消 息, 它 告 诉 我 们, 中 微 子 这 个 领 马 约 拉 纳 粒 子 域 还 有 几 个 有 保 障 的 发 现 在 不 我 们 曾 经 认 为 q 13 很 小, 质 量 远 处 等 着 我 们 我 们 可 以 在 研 究 中 顺 序 CP 破 坏 相 角 等 未 知 参 数 用 微 子 未 知 性 质 的 同 时 寻 找 新 物 理 的 现 有 技 术 可 能 难 以 测 量 因 此, 十 突 破 口 几 年 前 人 们 就 开 始 研 制 中 微 子 工 质 量 顺 序 的 测 量 厂 b 束 流 等 新 技 术 大 亚 湾 实 验 在 测 得 q 13 后, 测 量 质 量 顺 序 发 现 q 13 远 大 于 预 期, 因 此 用 我 们 成 为 中 微 子 研 究 的 下 一 个 热 点 现 有 的 技 术 就 可 以 进 行 质 量 顺 序 和 我 们 已 知 m 2 >m 1, 因 为 能 量 较 CP 破 坏 的 研 究 国 际 上 共 提 出 了 高 的 太 阳 中 微 子 振 荡 主 要 发 生 在 太 8 个 实 验 方 案 以 测 量 质 量 顺 序, 包 阳 内 部, 电 子 中 微 子 与 太 阳 内 的 电 括 中 国 的 江 门 中 微 子 实 验 (JUNO) 子 发 生 带 电 流 弱 相 互 作 用 带 来 物 美 国 的 LBNE 美 国 在 南 极 洲 质 效 应, 可 以 区 分 m 2 与 m 1 的 大 的 PINGU 日 本 的 超 超 级 神 冈 小 大 气 中 微 子 振 荡 则 只 能 测 得 质 (Hyper-K) 欧 洲 的 LBNO 韩 量 平 方 差 的 绝 对 值, 因 此 我 们 不 清 国 的 RENO-50 印 度 的 INO, 以 楚 三 种 中 微 子 的 质 量 顺 序 是 正 的 及 即 将 建 成 的 美 国 NOvA 其 中 (m 3 >m 2 >m 1 ) 还 是 反 的 (m 2 >m 1 >m 3 ) 如 果 不 知 道 质 量 顺 序, 长 基 线 加 速 器 中 微 子 的 振 荡 几 率 不 能 确 定, 因 此 也 影 响 CP 破 坏 的 测 量 ; 从 宇 宙 学, 或 者 无 中 微 子 双 b 衰 变 实 验, 图 1 江 门 中 微 子 实 验 2 万 吨 探 测 器 示 意 图 JUNO LBNE PINGU Hyper-K 的 竞 争 力 较 强 利 用 反 应 堆 中 微 子 振 荡 中 的 干 涉 效 应 可 以 测 量 质 量 顺 序, 其 最 佳 基 线 ( 即 反 应 堆 到 探 测 器 的 距 离 ) 现 代 物 理 知 识 36

约 为 60 千 米, 需 要 很 大 的 探 测 器 和 极 佳 的 能 量 分 辨 率, 从 精 确 的 能 谱 测 量 中 确 定 这 种 干 涉 效 应 2008 年 高 能 物 理 所 就 提 出 了 进 行 该 实 验 的 设 想, 称 为 大 亚 湾 二 期 实 验 发 现 q 13 很 大 后, 实 验 难 度 大 大 降 低, 这 项 工 作 得 以 迅 速 提 上 日 程 该 实 验 要 求 探 测 器 到 各 个 反 应 堆 的 距 离 相 等, 否 则 干 涉 效 应 将 相 互 抵 消 由 于 大 亚 湾 附 近 规 划 的 反 应 堆 布 局 不 利 于 测 量,2012 年 确 定 在 广 东 省 江 门 的 开 平 市 建 立 实 验 站, 位 于 距 阳 江 核 电 站 和 台 山 核 电 站 53 千 米 处 实 验 将 建 设 一 个 有 效 质 量 为 2 万 吨 的 液 体 闪 烁 体 探 测 器 ( 图 1), 位 于 地 下 700 米, 能 量 精 度 为 3% 最 主 要 的 难 点 是 比 以 前 最 好 的 液 体 闪 烁 体 探 测 器 的 能 量 精 度 还 要 高 1 倍 江 门 中 微 子 实 验 预 期 2020 年 建 成 运 行,6 年 后 可 将 质 量 顺 序 确 定 到 3 ~ 4 倍 标 准 偏 差 同 时 可 以 精 确 测 量 sin 2 2q 12 和 2 个 质 量 平 方 差 参 数 到 好 于 1% 的 精 度, 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 惰 性 中 微 子 等 LBNE 将 在 南 达 科 它 州 的 Homestake 建 立 1 万 吨 的 液 氩 探 测 器, 探 测 1300 千 米 外 费 米 实 验 室 产 生 的 加 速 器 中 微 子 束 流, 通 过 中 微 子 穿 过 地 球 时 的 物 质 效 应 来 确 定 质 量 顺 序 实 验 原 计 划 采 用 3.4 万 吨 的 探 测 器, 目 前 只 批 准 了 1 万 吨, 预 期 2022 年 建 成 长 基 线 加 速 器 中 微 子 实 验 对 质 量 顺 序 的 灵 敏 度 严 重 依 赖 于 CP 破 坏 的 大 小 对 CP 破 坏 较 大 的 一 半 参 数 空 间,LBNE 在 10 年 内 可 将 质 量 顺 序 确 定 到 5 倍 标 准 偏 差 对 另 一 半 参 数 空 间 则 影 响 也 不 同 超 级 神 冈 实 验 虽 然 有 为 2 ~ 5 倍 标 准 偏 差 实 验 的 难 点 5 万 吨 水, 但 仍 不 足 以 区 分 正 反 质 是 建 造 1 万 吨 的 液 氩 探 测 器 ( 以 前 量 顺 序 印 度 在 建 的 INO 实 验 是 最 大 为 600 吨 ) 同 样 利 用 费 米 实 唯 一 能 区 分 正 反 m 子 的 大 气 中 微 验 室 的 加 速 器 产 生 中 微 子 的 还 有 即 子 实 验, 但 其 质 量 也 为 5 万 吨, 灵 将 建 成 的 NOvA 实 验, 它 在 730 千 敏 度 不 高 大 气 中 微 子 有 较 宽 的 能 米 外 的 明 尼 苏 达 州 建 立 5 万 吨 的 塑 谱, 其 中 对 质 量 顺 序 测 量 贡 献 最 大 料 闪 烁 体 探 测 器, 有 1/4 的 几 率 ( 参 的 是 7 GeV 左 右 的 中 微 子 南 极 洲 数 空 间 ) 将 质 量 顺 序 测 量 到 3 倍 标 的 冰 立 方 实 验 ( 图 2) 可 以 探 测 到 准 偏 差 大 气 中 微 子, 体 积 为 1 立 方 千 米, 大 气 中 微 子 也 可 以 用 来 确 定 即 10 亿 吨, 但 能 量 阈 值 太 高, 不 质 量 顺 序 高 能 原 初 宇 宙 线 在 大 气 能 探 测 7 GeV 的 m 中 微 子 因 此, 中 产 生 大 量 的 中 微 子, 它 们 在 地 球 科 学 家 计 划 在 冰 立 方 的 中 心 重 新 建 表 面 基 本 上 均 匀 分 布 超 级 神 冈 实 一 个 光 电 倍 增 管 更 密 集, 能 探 测 验 正 是 发 现 了 贯 穿 地 球 的 大 气 中 微 到 更 多 光 子, 因 而 能 量 阈 值 更 低 子 随 不 同 飞 行 距 离 的 存 活 几 率 而 发 的 实 验, 叫 PINGU, 其 有 效 质 量 现 了 中 微 子 振 荡 穿 过 地 球 时 的 物 100 ~ 1000 万 吨 3 年 的 数 据 量 可 质 效 应 对 正 反 m 中 微 子 的 影 响 以 测 量 质 量 顺 序 到 3 倍 标 准 偏 差 以 不 同, 在 正 反 质 量 顺 序 情 况 下 的 上 实 验 的 主 要 难 点 在 于 能 否 精 确 图 2 南 极 洲 冰 立 方 实 验,PINGU 位 于 图 中 DeepCore 处 ( 来 自 arxiv:1401.2046) 37

地 将 光 电 倍 增 管 部 署 到 冰 下 的 预 期 位 置, 以 及 能 否 精 确 理 解 光 子 在 冰 层 中 的 传 播 过 程 PINGU 实 验 尚 未 批 准 如 果 这 些 问 题 能 解 决, 可 能 是 测 量 质 量 顺 序 最 快 的 实 验 继 超 级 神 冈 之 后, 日 本 计 划 在 原 址 旁 新 建 超 超 级 神 冈 (Hyper-K), 质 量 从 5 万 吨 提 升 到 100 万 吨 Hyper-K 将 探 测 来 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 离 较 短, 地 球 物 质 效 应 不 够 显 著, 运 行 6 ~ 10 年 后 也 只 对 不 到 1/4 的 参 数 空 间 能 将 质 量 顺 序 测 量 到 3 倍 标 准 偏 差 以 上 Hyper-K 也 能 探 测 大 气 中 微 子 和 超 新 星 中 微 子 利 用 大 气 中 微 子 对 质 量 顺 序 的 灵 敏 度 更 好, 6 ~ 10 年 的 数 据, 对 大 部 分 参 数 空 间 都 能 测 量 到 3 倍 标 准 偏 差 以 上 在 这 些 实 验 中,JUNO LBNE NOvA INO 已 获 批 准, PINGU Hyper-K 有 较 大 的 可 能 被 批 准 ( 图 3) 这 些 实 验 涵 盖 了 反 应 堆 中 微 子 加 速 器 中 微 子 和 大 气 中 微 子 三 种 源, 采 用 了 不 同 的 探 测 器 技 术 加 速 器 实 验 用 m 中 微 子 束 流, 探 测 电 子 中 微 子 的 出 现 几 率, 灵 敏 度 依 赖 于 CP 破 坏 相 角 大 气 中 微 子 探 测 m 中 微 子 的 消 失 几 率, 灵 敏 度 依 赖 于 q 23 对 p/4 的 偏 离 值 反 应 堆 中 微 子 实 验 则 与 CP 破 坏 相 角 和 q 23 的 八 分 圆 问 题 无 关, 但 对 能 量 精 度 要 求 很 高 预 期 到 2025 年 左 右, 我 们 能 够 通 过 不 同 的 手 段 基 本 上 确 定 中 微 子 的 质 量 顺 序 其 他 中 微 子 振 荡 测 量 中 微 子 的 CP 破 坏 大 概 是 剩 下 的 有 保 障 的 发 现 中 最 重 要 的 图 3 假 如 中 微 子 真 实 质 量 顺 序 为 反 序, 各 实 验 对 质 量 顺 序 的 灵 敏 度 其 中 NOvA LBNE 的 上 下 限 相 应 于 不 同 CP 破 坏 相 角,INO 和 PINGU 对 应 不 同 q 23,JUNO 对 应 不 同 能 量 精 度 PINGU 对 正 质 量 顺 序 的 灵 敏 度 更 好 ( 来 自 M. Blennow, JHEP 1403 (2014) 028) 一 个 它 与 宇 宙 中 正 反 物 质 的 不 对 实 验 都 可 以 测 量 q 23 并 确 定 它 对 p/4 称 可 能 相 关 测 量 CP 破 坏 最 直 接 的 偏 离 加 速 器 中 微 子 LBNE 可 以 的 方 法 是 比 较 正 反 中 微 子 振 荡 的 通 过 m 中 微 子 消 失 几 率 的 测 量, 对 差 别 只 有 加 速 器 中 微 子 实 验 比 较 大 部 分 参 数 空 间 将 q 23 的 精 度 测 量 容 易 做 到 这 一 点 通 过 改 变 质 子 打 到 好 于 1, 对 q 23 小 于 40 或 大 靶 后 的 聚 焦 磁 场 方 向, 可 以 选 择 于 50 的 情 况 可 以 解 决 八 分 圆 问 性 地 聚 焦 正 粒 子 还 是 反 粒 子, 从 题 到 3 倍 标 准 偏 差 以 上 Hyper-K 而 产 生 正 中 微 子 或 反 中 微 子 束 流 通 过 大 气 中 微 子 也 可 以 测 量 到 类 似 由 于 质 子 带 正 电, 产 生 的 反 中 微 的 精 度 子 束 流 一 般 只 有 正 中 微 子 的 1/3 流 预 期 到 2032 年 左 右, 我 们 将 强 从 探 测 器 测 得 它 们 振 荡 几 率 的 能 够 有 3/4 的 几 率 测 量 到 中 微 子 的 差 别, 就 可 以 测 得 CP 破 坏 相 角 CP 破 坏 对 其 他 5 个 中 微 子 振 荡 LBNE 和 Hyper-K 实 验 可 以 测 量 参 数 的 测 量 精 度 将 好 于 1% 精 确 CP 破 坏 如 果 CP 破 坏 相 角 为 0 测 量 振 荡 参 数 将 使 我 们 能 够 检 验 混 或 180, 则 CP 破 坏 效 应 为 零, 合 矩 阵 的 幺 正 性 假 如 存 在 超 出 标 90 和 270 处 最 大 到 2032 年, 准 模 型 的 重 中 微 子, 例 如 像 解 释 中 通 过 10 年 的 测 量, 例 如 3 年 正 中 微 子 微 小 质 量 的 跷 跷 板 机 制 所 微 子,7 年 反 中 微 子,LBNE 对 1/4 预 言 的 那 样, 我 们 现 有 的 技 术 手 段 的 参 数 空 间 可 测 量 CP 破 坏 到 3 倍 也 许 无 法 直 接 寻 找, 但 它 们 会 对 现 标 准 偏 差 以 上, 而 Hyper-K 则 有 有 的 中 微 子 振 荡 产 生 间 接 影 响 我 3/4 的 参 数 空 间 们 所 测 得 的 3 3 混 合 矩 阵 将 是 一 大 气 中 微 子 和 加 速 器 中 微 子 个 更 大 的 幺 正 矩 阵 的 子 矩 阵, 前 者 现 代 物 理 知 识 38

本 身 不 再 满 足 幺 正 性 通 过 精 确 测 量 混 合 参 数, 我 们 可 以 窥 探 更 高 能 量 下 的 新 物 理 非 振 荡 中 微 子 研 究 无 中 微 子 双 b 实 验 是 一 类 极 为 重 要 的 中 微 子 实 验 如 果 发 现 了 这 种 现 象, 则 说 明 中 微 子 与 其 他 费 米 子 都 不 同, 是 马 约 拉 纳 粒 子 现 在 有 十 多 个 实 验, 利 用 不 同 的 探 测 技 术 和 不 同 的 同 位 素 进 行 研 究, 例 如 Gerda,CUORE,NEMO 等 EXO 是 其 中 竞 争 力 最 强 的 实 验 之 一 它 利 用 液 氙 ( 136 Xe) 同 时 作 为 双 b 衰 变 核 素 和 探 测 介 质, 在 极 低 本 底 实 验 规 模 化 上 有 较 大 优 势 目 前 EXO 实 验 采 用 200 千 克 液 氙, 计 划 升 级 为 nexo, 靶 质 量 为 5 吨, 并 继 续 提 高 探 测 器 性 能 特 别 是 有 可 能 实 现 独 有 的 Ba 离 子 标 记 技 术, 原 则 上 可 排 除 所 有 其 他 核 素 产 生 本 底 假 如 中 微 子 具 有 反 质 量 顺 序, 下 一 代 的 无 中 微 子 双 b 实 验 将 能 在 未 来 10 年 确 定 中 微 子 是 狄 拉 克 粒 子 还 是 马 约 拉 纳 粒 子 假 如 质 量 顺 序 是 正 序 则 很 糟 糕, 如 果 未 能 找 到 无 中 微 子 双 b 衰 变 现 象, 即 使 是 下 一 代 实 验, 也 不 能 排 除 它 为 马 约 拉 纳 粒 子 为 了 解 释 LSND 实 验 发 现 的 极 短 距 离 的 中 微 子 振 荡 现 象, 有 人 认 为 存 在 着 质 量 在 1 ev 附 近 的 中 微 子 由 于 加 速 器 上 Z 0 粒 子 衰 变 实 验 已 经 证 明 只 有 三 种 参 与 弱 作 用 的 中 微 子, 只 能 假 定 存 在 一 种 标 准 模 型 之 外 的 不 直 接 参 与 弱 作 用 的 粒 子, 称 为 惰 性 中 微 子 还 有 一 些 其 他 迹 象 支 持 惰 性 中 微 子 的 存 在, 如 反 应 堆 中 微 子 反 常 GELLEX 反 常 等 专 门 设 计 来 验 证 LSND 实 验 的 MiniBooNE 实 验 也 未 能 得 到 明 确 的 结 果 惰 性 中 微 子 激 起 了 相 当 一 部 分 人 的 兴 趣 新 设 计 的 实 验 包 括 在 距 反 应 堆 几 米 的 地 方 测 量 中 微 子 振 荡 近 距 离 的 加 速 器 中 微 子 实 验 利 用 放 射 源 近 距 离 测 量 中 微 子 等 也 许 未 来 一 二 十 年 内 能 够 证 实 或 否 定 它 的 存 在 中 微 子 也 是 一 种 新 的 天 体 物 理 的 研 究 手 段 中 微 子 不 带 电, 穿 透 能 力 强, 因 此 能 提 供 其 他 粒 子 无 法 提 供 的 信 息 南 极 洲 的 冰 立 方 实 验 2013 年 发 现 了 来 自 宇 宙 的 极 高 能 中 微 子, 它 们 有 可 能 提 供 极 高 能 宇 宙 线 起 源 的 信 息 探 测 超 新 星 中 微 子 太 阳 中 微 子 将 带 来 星 体 内 部 的 的 信 息, 帮 助 我 们 理 解 星 体 的 形 成 与 演 化 地 球 中 微 子 也 能 帮 助 我 们 刺 探 无 法 到 达 的 地 球 内 部, 帮 助 理 解 地 球 的 形 成 与 演 化 钻 石 瑕 疵 证 明 地 球 深 处 存 在 水 钻 石 瑕 疵 会 降 低 珠 宝 成 品 的 价 值, 但 对 地 质 学 家 来 说 却 是 宝 贵 的 研 究 机 会 肉 眼 很 难 发 现 的 钻 石 微 小 瑕 疵, 帮 助 解 决 了 地 幔 中 存 在 水 的 长 期 争 论 地 表 下 400 千 米 的 地 幔 主 要 是 称 为 橄 榄 石 的 矿 物, 并 不 吸 收 水 然 而 在 此 之 下, 高 温 和 高 压 导 致 橄 榄 石 变 为 不 同 的 化 学 结 构, 其 中 之 一 称 为 尖 晶 橄 榄 石, 实 验 室 测 试 表 明 其 中 含 有 多 达 2.5% 的 水 图 中 钻 石 出 自 巴 西 捷 那 地 区, 是 由 岩 浆 推 到 地 表 的, 化 学 结 构 表 明 其 形 成 于 400 千 米 深 处 研 究 者 在 显 微 镜 下 发 现 钻 石 内 部 有 一 颗 40 微 米 的 晶 体, 称 为 包 裹 体, 光 谱 分 析 是 尖 晶 橄 榄 石 发 表 在 自 然 (Nature) 网 站 上 的 进 一 步 分 析, 揭 示 了 这 块 尖 晶 橄 榄 石 包 含 氢 氧 键, 说 明 晶 格 中 至 少 含 有 1.4% 的 水 生 成 该 钻 石 的 地 方 可 能 不 是 典 型 的 下 地 幔, 如 果 是 下 地 幔 的 话, 该 处 会 存 在 大 量 水 这 非 常 重 要, 因 为 地 幔 在 温 度 变 化 时 会 排 出 高 压 蒸 汽, 导 致 火 山 喷 发 ( 高 凌 云 编 译 自 2014 年 3 月 12 日 www.sciencemag.org) 39