地下实验室与中微子物理

地下实验室与中微子物理杨长根1.科学目标及非加速器物理发展态势粒子物理学取得了巨大的成功:迄今为止，所有实验测量的结果都与标准模型的预言一致，有的精度达到10-5但是:作为基本理论的框架，它是不完整的，有19个参数需要测量，有许多基本问题不能回答，包括：为什么费米子的质量延伸1011？CP破坏的起因?为什么有三代结构？超对称性和大统一理论需要实验检验，但加速器能量的提高距此要求相差很大。大爆炸理论获得了巨大的成功最新的WMAP的数据预言了宇宙的最终命运：宇宙的形成为137亿年，误差为1%。大爆炸两亿年后开始有星球形成，而且宇宙将永远膨胀下去，WMAP给出最新的宇宙质量能量组成比是：重子物质占4%，暗物质占23%，暗能量占73%。微观和宇观的统一理论:TheoryofEverything实验:加速器物理天体观测非加速器物理:地面实验地下实验(CPU)11个基本的问题:1.什么是暗物质?2.什么是暗能量?3.宇宙如何起始的?4.爱因斯坦有关引力的遗言?5.中微子的质量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？6.宇宙线的起源和加速机制?7.质子是稳定的吗？8.极端高温和高密下是否有新物质态?9.还有其它维的时空吗?10.铁以上核的形成?11.极高能量下是否需要新的有关物质和光的理论?宇宙线物理与加速器物理互补1)可以产生并且加速多种粒子：射线、中微子、带电轻子、质子、氦和重核，还可能有奇异事例。2)能谱很宽，从低能热辐射至1020eV的稀有事例。3)不同距离的研究，从地球尺度，河内到河外距离。4)极端状态的研究，从高温高密的中子星到黑洞。5)最有意义的物理在于宇宙线中包含了我们从未想到的东西，原因在于宇宙线中蕴含有基本规律所付与的信息，这些信息需要物理学家去解读。地下实验室的应用:1).低本底，弱信号观测，具有发现新物理的潜力2).高于加速器能量的宇宙线研究3).核物理、材料技术、微生物和地球科学。国外从六十年代起陆续开始建立地下实验室:Homestake,GranSasso,Kamiokande,Soudan,SNO…,如今大多都获得重大成果。一般都涉及多个研究方向,反复使用,成为非加速器物理实验研究的大平台。2.地下实验室物理2.1长基线中微子振荡实验物理目标：2100Km建立中微子振荡的框架结构；测量中微子质量的Hierarchy；测量中微子的物质效应；对混合矩阵的元给出测量和限定；对轻子家族的CP破坏给出测量或限定；中微子振荡的测量是一个很复杂的物理，它等同于夸克物理中CKM矩阵的测量，需要多个不同的探测器，不同基线长度的测量，主要的物理目标包括：1）建立中微子振荡的框架结构，a）P(ee)+P(e)+P(e)，b)P(e)+P()+P()普通的中微子束流能够对情形b)给出测量，情形a）的测量，包括e，只能通过中微子工厂实现。2）测量中微子质量的模式，质量差m232的符号只能通过测量e穿过物质时振荡几率与m232的符号有关而得到，这是超过2000公里的超长基线中微子振荡实验的独特物理。3）验证中微子通过物质的MSW效应，这对天文中微子的观测和计算是重要的。4）对混合矩阵的元给出测量和限定，而且这些测量一致性的验证也是非常重要的，e束流就提供了独立于束流的另一套测量结果。5）对轻子家族的CP破坏给出测量值或限定，这个精确的测量是现有普通中微子束流的精度所达不到的，因而CP破坏值只能通过中微子工厂给出。CPandmasshierarchy国际合作获得中微子束流的可能性对中微子工厂做研究的有美国、欧洲（CERN）、日本三家.日本对中微子工厂的努力已经逐渐有了显示度，基于FFAG(FixedFieldAlternatingGradient)原理进行子贮存环的研究可以减小对强场梯度的要求，因而可以节约贮存环的成本，而且已经在建设的J-PARC可以进一步节省前级强流质子加速器的费用。在过去的三年里，我国与日本同行就有关长基线中微子振荡的实验进行了广泛的交流，分别各自成立了研究组，完成了两篇报告.同样重要的是我们建立中微子的探测器，这样也就加大了争取束流指向的可能性。如:CERNtoGranSasso,KEKtoSuperKCERNLayoutforFactory2.2用反应堆产生的中微子测量13到目前为止，实验上测量的中微子混合角中都是大混合角，只有13的值很小;13大小与CP破坏成正比，而CP破坏的大小对解决物质与反物质世界不对称之迷是重要的。反应堆测量直接与13有关，不与其它参数相简并，相关性也很小。大陆、台湾、香港同行们正开始考虑以三方为主的国际合作，探讨在国内利用广东大丫湾反应堆进行实验的可能性。在距大丫湾发电站约1公里的岭东正在新建另一个发电站，预计它们的总功率将达到18GW，比现有世界上大部分的地点具有明显的优越性。这提供了一个近期开展目前非常有意义的中微子物理研究的机会。MatterandAnti-MatterEarlyUniverseTheybasicallyhaveallannihilatedawayexceptatinydifferencebetweenthem10,000,000,00110,000,000,000MatterAnti-matterLeptogenesis•YougenerateLeptonAsymmetryfirst.•GenerateLfromthedirectCPviolationinright-handedneutrinodecay•LgetsconvertedtoBviaEWanomalyMorematterthananti-matterWehavesurvived“TheGreatAnnihilation”(N1iH)(N1iH)Im(h1jh1khlk*hlj*)大亚湾反应堆中微子(继续?)更精确的测量?HLMA建议:基线长度:19.5公里1)LMA-II：m212~1.2-2.0×10-4eV22)~2-4×10-4eV2，对m23的符号敏感？基线长度:90公里在KAMLAND测得的第一极大位置精确测量12和m212？2.3其它的中微子物理1).太阳中微子2).双衰变3).大气中微子实验1).太阳中微子对中微子质量平方差的灵敏度可到m2~10-12eV，这个数值是地球上中微子实验的好几个数量级，未来实验累积足够的pp太阳中微子数据将给出最好的12和m122的测量值；中微子在太阳中穿过了~1010g/cm2的物质，它与物质的相互作用可以增大振荡的几率（MSW物质效应），因此低能太阳中微子的测量将给出LMA解的验证。中微子（pp和7Be）的精确测量将进一步限定e到s的耦合，因为即使s与其它中微子有很小的耦合也会在宇宙学中有很大的影响；太阳中微子测量的探测器还是一个极好的超新星探测器；太阳中微子的测量还对太阳物理检验提供重要依据，对了解太阳内部核反应链的周期活动非常重要，未来太阳中微子的探测器期望能够测量弹性散射和带电流的相互作用，测量精度为1-3%，要求能够区分到达的中微子的味道。SNOcomestotherescue•ChargedCurrent:e•NeutralCurrent:e++•5.3sdifference,arecomingfromtheSun!CC1.760.050.09106cm2sec1NC5.090.430.440.430.46106cm2sec1WrongNeutrinos•OnlyeproducedintheSun•WrongNeutrinos,arecomingfromtheSun!•Somehowsomeofewereconvertedto,ontheirwayfromtheSun’scoretothedetectorneutrinooscillation!2).双衰变确定中微子是否是Majorana型，如果是，轻子数守恒被破坏；中微子振荡只能确定中微子间是否有质量差，但不能确定中微子质量的标度，双衰变最有可能给出中微子的质量标度值；轻子数破坏的双衰变，和CP破坏联合有可能帮助我们理解重子数的起源；如果存在双衰变，那么将是一个很重要的核衰变模式，影响到其它多达50个的稳定核，双衰变促进了核结构理论的发展。双衰变寿命的下限限定，平均每两年提高2倍，也有双衰变的摩尔定理成立。SeesawMechanism•Whyisneutrinomasssosmall?•Needright-handedneutrinostogenerateneutrinomass,butRSMneutral:LRmDmDMLRmmD2MmDToobtainm3~(m2atm)1/2,mD~mt,M3~1015GeV(GUT!)GrandUnification•electromagnetic,weak,andstrongforceshaveverydifferentstrengths•Buttheirstrengthsbecomethesameat1016GeVifsupersymmetry•Toobtainm3~(m2atm)1/2,mD~mtM3~1015GeV!Neutrinomassmaybeprobingunification:Einstein’sdreamM33).大气中微子实验随角度的不同，中微子穿过的距离可以从10公里至13000公里不等，对GeV能量的中微子，L/E测量的范围为1-105公里/GeV，对m2的测量灵敏度到10-4eV2，而且从上到下和从下到上的中微子间可以做自洽检验；通过大气中微子的测量可以测量中微子的振荡模式，测量出现（SuperK的结果支持振荡）；验证地球的物质效应；可以测量几个GeV的中微子与核作用的响应函数和裂变产生，这对核结构理论，超新星和太阳中微子问题是有意义的。Ahalfoflost!2.4宇宙学和天体物理1).暗物质2).超新星中微子探测3).核天体物理1).暗物质微波背景辐射和大尺度结构的精确测量使我们不得不接受宇宙中充满了暗能量和暗物质的事实。物质成分的比例远远超过重子物质强烈地说明存在有非重子的物质成份，这些物质产生于早期热宇宙中，现在作为一个物质背景而存在，对宇宙膨胀和大尺度结构产生影响。Directdetection-generalprinciples•WIMP+nucleusWIMP+nucleus•Measurethenuclearrecoilenergy•Suppressbackgroundsenoughtobesensitivetoasignal,or...•SearchforanannualmodulationduetotheEarth’smotionaroundtheSun2).超新星中微子探测银河系内的超新星爆发频率为每30年一个。超新星的理解对天体物理的很多方面都是很关键的，在星系的长时间演化中，超新星爆发提供了重要的能量来源。一般地认为一半的重核形成于质子中子星中的快速中子俘获，另一半与超新星形成的激波加热有关，或者说爆炸形成了核。1987A中微子事例的测量表明重质量星发生坍缩，随后质子中子星（protoneutron）冷却这个粗略图像是对的，释放的中微子能量约为3x1053尔格，冷却时间约3毫秒。这些数据还对许多粒子和天体物理给出许多重要的约束，包括对中微子质量和磁矩的约束，包括异常的冷却机制，比如轴子和大质量Dirac中微子的约束，甚至包括超维理论。超新星中微子探测（Cont.)超新星可以产生各种味道的中微子。由于高密度，因此在核内部形成中微子陷阱，又由于温度和作用的不同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此对中微子的测量可以研究中微子的振荡效应，物质效应，超新星机制；当质子中子星冷却时，有可能坍缩成