我们从前面已经知道中微子振荡的基本原理。中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱相互作用本征态不相同,每一种弱相互作用的本征态都是三种同样本征态的混合,不过混合的比例不一样而已。中微子的产生和探测都是通过弱相互作用,就是说,测量的是弱相互作用本征态。在传播的时候,三种质量本征态还会以一定的振荡规律相互转换。简单地说,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,这种现象叫做中微子振荡现象。
我们知道,理论物理学家一直认为存在三种不同的中微子振荡。一个电子中微子具有三种质量本征态成分,传播一段距离后变成电子中微子、μ中微子、τ中微子的叠加,它们之间相互混合转换,就是所谓振荡现象。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)。这六个参数是三个混合角θ12、θ23、θ13,两个质量平方差Δm221、Δm232,以及一个电荷宇称相位角δcP。这里θ12和θ23表示质量本征态1与2,或2与3之间的混合参数(也称混合角)。
人们已经通过大气中微子振荡测得了θ23与|Δm232|,通过太阳中微子振荡测得了θ12与Δm221。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θ13、CP对称破缺的相位角δcp。在我国科学家以前,测得的θ13的实验上限是:sin22θ13<0.17(在Δm231=2.5×10﹣3电子伏2下),由法国的Chooz反应堆中微子实验给出。误差太大,以至于难以判断这种振荡模式存在与否。
中微子振荡参数
θ13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θ13,故θ13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sin22θ13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。θ13接近于零也预示着新物质或一种新的对称性的存在。因此不论是测得θ13,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。
θ13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,中微子振荡概率跟θ13、CP相角、物质效应以及Δm232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θ13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。从科学家们第一次发现中微子到第一次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θ13的精确测量成为可能。
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