大亞灣中微子實驗中發現的新的中微子振蕩行為意味著什麼？

01-06

[本答案發佈於 2012-12-06，2015-10-10 有修改]

不少人以為這是「諾貝爾獎級」的結果，其實不然。你可以看一下曹俊的科普（他是直接參与者）：http://blog.sciencenet.cn/blog-296183-625550.html 他們相關的人自己也說「沒到諾貝爾獎的級別」。曹的博客里還有很多這方面科普的內容，如果有興趣的話夠讀一陣子的。

（修改：年底了，這個結果上了《科學》雜誌的2012年度十大科技突破，其重要性可見一斑。

參見這裡曹俊本人的翻譯及注釋：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=296183do=blogid=645045）

中微子的發現（1956），拿了 1995年的諾貝爾獎；中微子振蕩存在性拿了 2002 年的獎，但振蕩里的幾個常數還是不知道。即媒體報道的 $heta_{12}, heta_{13}, heta_{23}$ ——讀作 theta-一二、一三和二三，而不是十二、十三和二十三，因為描述的是一到二、一到三和二到三的轉變。這次測的是 $heta_{13}$ , 準確的說是測這個角的二倍的正弦值的平方，另外兩個角都已經由別的實驗知道了。

啥叫中微子我就不解釋了，參見末尾的參考。啥叫振蕩呢？就好像小學放學，跑出1000個小學生，結果只有三百多個回到了家。失蹤了嗎？這是一個不得了的事情，得調查。調查結果是，小學生們沒有失蹤，只是有些在回家路上把校服脫了，看起來不像小學生而已。只有三百多個小學生穿著校服回到了家。「把校服脫了」不是只脫一次，如果回家的路很長的話，「穿了脫、脫了穿」這樣的事情是一直在發生的，這就是所謂「振蕩」。這是很粗略的比喻，也許能給人一點理解的幻覺。[現在似乎更流行普通青年轉化成文藝青年和二逼青年這個比方，需要強調的是轉化的過程也是震蕩的，普通青年變成文藝青年以後還是有可能變成二逼青年的。]

這次的結果，之前國際上的競爭對手也得到了，但是可信度不高，沒法下定論，只能說有這樣的 "跡象"。（比如法國的 double chooz, 日本的 T2K, 韓國的 RENO，韓國本來有點領先，是人力不夠不能分析出結果，法國精度不夠，日本地震震慘了）。大亞灣條件優越，人力充足，相關單位也支持，所以能出好結果是必然的，設計實驗的時候就知道精度比對手強。得出精度夠高的結論，就可以說是「發現」了。用數字表示的話，「跡象」是 99%，「發現"是99.99999%，從 2.5 sigma 到了 5 sigma 以上。（順便說一句，這種耗費巨資的實驗，全球還有好多單位一起做，其重要性可見一斑。中國這個是美國能源部也出了錢的。）

這個實驗的結果不足以改變人的思維方式，但是也帶來了驚喜，即 $heta_{13}$ 這個角比想像的大得多。（比對手快這點，值得中國人驚喜，但跟科學實驗本身無關。）另外，這個實驗也不算做完了，還得做四年。如果發現了什麼意外的現象，或者運氣特別好（比如這四年內有放出中微子的超新星爆發），做出重要突破還是有可能的。除了測 $heta_{13}$ ，還要測一個 CP 對稱性破壞的相位角，那個相比之下更加重要，要是有意外發現的話，hmm…… （CP對稱性破壞也是知道的，只是中微子這裡 CP 破壞如何表現，值得好奇）

其實中微子還有一個極其重要的未解決之謎：即中微子的質量是多少。中微子有三種，也有三種質量（警告：三種中微子有三種質量，不是說每個中微子對應於一個質量的值，所謂「振蕩」，就是按一定方式「混合」起來才可以談質量，這次測的東西就是怎麼「混合」）。由於有振蕩，間接地知道質量不是零（於是中微子只能以很接近光速的速度，而不是光速傳播）。但這質量到底是多少，不知道。難在中微子質量太小了，你也許知道，基本例子的質量不是論斤稱的，但中微子跟其它粒子比起來，還是太小。1 kg，大約是 600億億億個質子的質量，一個質子大約相當於 1000 個電子的質量，但是一百萬個中微子的質量也許還不如一個電子的質量。要是能測出中微子的質量，絕對是諾貝爾獎級別。不過這個似乎不在大亞灣實驗的設計範圍之內，有德國人在做。即使德國人能不能做出來，也要看運氣和答案本身，也許結論也只能是「中微子質量很小，比我們預期的精度還要小」，而不是測出一個值。

從看客的角度，拿不了諾貝爾獎，為什麼還值得關注呢？其實實驗室的建設，研究生的培養，都是長線投資，這些錢投下去，對整個學科的發展，即相關的工程的建設，都是有推動的。現在投資，受益起碼50年。這個實驗需要的工程，難度比不上造第一顆原子彈，但是比起修水壩來說是要難不少的。全球的實驗，建設上都遇到了工期拖延。（核電站附近搞爆破，你在別的什麼地方見過？）。看看這個就知道工程的艱苦了：http://blog.sciencenet.cn/blog-296183-504592.html 實驗里得到的數據的處理，對人也是一個很好的鍛煉（我看報道是每天 310GB 的 data）。

說了這麼多也許有點發散，總結一下吧。不意味中國人能馬上在這方面拿諾貝爾獎，意味著中國高能物理實驗的長足發展，也意味著中微子還有些有趣的東西我們尚未知曉。

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中微子跟太陽密切相關，推薦一個相關閱讀：http://www.changhai.org/articles/science/astronomy/sun/10.php

每天都有無數個中微子穿越你的皮膚，穿透地球，但是中微子很難和別的東西發生作用（要是子彈穿過你，你就掛了；x光基本可以穿過你，照多了也不好；但是中微子嘛，天天照也沒事╮(╯_╰)╭）。

這裡有一個看似不錯的科普幻燈片: http://www.phys.psu.edu/~cteq/schools/summer09/talks/morfinCTEQ09.pdf

英語好會翻牆的推薦這裡的解說：http://www.youtube.com/watch?v=md1CKUQp04Q

另外這裡是「卡通」解說，更初等：http://www.youtube.com/watch?v=lAAmAbJvvJg