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[转载]大亚湾实验发布中微子振荡最精确测量结果 | The Innovation

已有 790 次阅读 2022-12-4 18:50 |系统分类:观点评述|文章来源:转载

为什么宇宙万物都是由物质而非反物质组成,为什么又和物质世界最小组成单元之一中微子质量不为零的问题联系上呢?中微子的研究已经获得了四次诺贝尔物理学奖,但仍存在很多待解决的重大问题。中国的大亚湾中微子实验2012年首次发现第三种中微子振荡模式,2022年6月大亚湾实验公布了迄今最精确的中微子振荡参数结果,为未来解决这些重大问题提供了必须输入。

Y Nakajima TheInnovation创新 2022-11-25 00:01

大亚湾-640.jpg

图1 图文摘要

宇宙正反物质不对称之谜或许可以通过基本粒子的电荷宇称(CP)破坏来解释。虽然夸克的CP破坏已被探测, 但该破坏大小不足以解释现有的正反物质不对称性。轻子的CP破坏尚未被发现,目前一般通过中微子振荡来测量,但前提是中微子混合角θ13要足够大。2012年,大亚湾反应堆中微子实验研究55天的实验数据发现θ13非零,并给出了精度为20%的θ13测量结果,为中微子基本性质的实验研究指明了前进的方向,即测定中微子质量顺序和发现轻子部分的 CP 破坏现象。

随着统计数据量的增加和系统误差的不断改进,大亚湾实验不断提高θ13的测量精度,也同时测量了中微子质量的平方差。2020年12月12日,大亚湾实验装置正式退役,随后10个月内完成了探测器拆除和撤场工作。物理学家利用2011年底到2020年底获取的超过3000天的中微子数据,完成了迄今最精确的振荡参数测量。

2022年6月,大亚湾实验在“中微子和粒子天体物理2022”国际会议上公布了最新结果,对混合角和质量平方差的测量精度分别达到了2.8%和2.3%,均为国际最精确测量。其中对混合角θ13的测量精度在可预见的未来难以被突破。测量精度的改进不仅受益于统计数据量的积累,物理学家也在不断地改进系统误差,包括多个探测器之间的相对能量标度以及绝对能量响应等。

大亚湾实验对反应堆中微子的流强和能谱也进行了精确测量。通过研究中微子流强和能谱随反应堆内核燃料组分的演化关系,大亚湾实验发现所谓的“反应堆中微子反常”很可能是模型预期存在问题,而非由惰性中微子引起。2022年,大亚湾实验于国际首次发现能量大于10兆电子伏的反应堆中微子,对其流强的测量为反应堆物理、超新星遗迹中微子等多个研究方向提供了独一无二的输入限制。

本文作者于2011年到2016年参与大亚湾实验,深度参与了中国大亚湾反应堆中微子实验的安装、测试、调试运行和数据分析工作,完成了振荡参数测量、中微子能谱测量和惰性中微子排除线等物理研究。除了优秀的物理成果,他认为大亚湾实验更带给他如何开展参数精确测量和国际合作的精神遗产。大亚湾实验的每一个分析都有多个小组独立开展,深入挖掘数据,努力解释每个实验现象背后的物理原因,最终使得振荡参数的精确测量成为现实。


总结与展望

大亚湾实验精确测量的θ13将成为中微子研究史上的标志性成果,也是未来中国江门中微子实验、日本顶级神冈实验和美国深地中微子实验确定中微子质量顺序和轻子CP破坏的必须输入。随着这些大型实验装置的服役,和中微子振荡相关的物理参数可能会在二十一世纪三十年代被全部破解。

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“A step forward in understanding the universe: The latest results from the Daya Bay experiment” (投稿: 2022-07-05;接收: 2022-09-26;在线刊出: 2022-09-29)。


DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100332


引用格式:Nakajima Yasuhiro. (2022). A step forward in understanding the universe: The latest results from the Daya Bay experimentThe Innovation. 3(6),100332.

原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00128-X

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作者简介

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中島 康博(Nakajima Yasuhiro),日本东京大学物理系副教授。2011年于日本京都大学获得博士学位,随后赴美国劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究,2016年获得东京大学教职。在劳伦斯伯克利国家实验室期间,深度参与了中国大亚湾反应堆中微子实验的安装、测试、调试运行和数据分析工作,完成了振荡参数测量、中微子能谱测量和惰性中微子排除线等物理研究。2014年至2016年担任大亚湾国际合作组的物理分析委员,共同领导合作组的物理研究工作。2022年大亚湾实验公布最新结果后,作为前合作组成员对物理结果及其意义进行了评论和解读。

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