王贻芳透露中微子实验更大野心：规模比现在100倍！

刚刚代表团队领取科学界第一巨奖——突破奖的中国科学家王贻芳，在接受《赛先生》采访时透露了他们接下来的目标和野心：正在建设的江门中微子实验(JUNO)的规模比大亚湾大100倍，预计2020年完成建设开始运行。该实验将确定中微子质量顺序，精确测量6个中微子混合参数中的3个；研究超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等。

对媒向来对媒体寡言少语的王贻芳一如既往的谈定，接受《赛先生》采访时，他轻描淡写的说：“这(突破奖)是对我们过去十几年努力的认可与奖励，希望能鼓励后来者更加努力。”

发现很惊喜，历程不容易

2012年3月8日，大亚湾中微子实验国际合作组宣布，中国科学家主导的大亚湾实验发现了新的中微子振荡模式。他们通过实验和数据分析计算，得到了theta13不为0的置信度高达5.2倍标准差。这一成果当年被美国《科学杂志》评选为2012年度十大科学突破，评价为“如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”今年9月11日，大亚湾国际合作组在《物理评论快报》发表了中微子测量的最新结果，将中微子混合角Theta(13)和中微子质量平方差的测量精度都提高了近一倍，目前为世界上最高精度。预计到2017年底，中微子振荡参数的测量精度将进一步提高。

王贻芳告诉《赛先生》，2006年就开始的这一实验经历了很多困难，其中最为艰难的是临近核电站的隧道建设(爆破、安全管理等);掺钆液体闪烁体的研制(配方、生产设备及工艺研发、批量生产与质量控制等);中微子探测器的研制与装配;数据分析等。

他说，在中国做类似的实验，和在国外相比，优势是组织管理强，各级政府的支持力度大，劣势是技术基础薄弱，工业界的支持不够。

王贻芳他们发现了什么

大亚湾中微子实验是一个国际合作实验，成立于2006年，包括来自于世界7个国家和地区的40个单位，主要由中国人构成，其中主力来自于中国科学院高能物理研究所。其次是位于长岛的布鲁克海文国立实验室。中方和美方的负责人分别是现任高能物理研究所所长王贻芳和美国伯克利国家实验室陆锦标教授。

理论上，三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实，发现者已分别获得2002年和2015年诺贝尔奖。第三种振荡则在 2012年，由王贻芳领导的的大亚湾中微子实验完成了高置信度的确认。中微子第三种振荡模式的发现，为进一步测量中微子质量顺序和“CP破坏”打开了大门，物理意义非常关键。

大亚湾中微子实验的中微子源由核反应堆担当，而捕捉中微子的地方在地下，且和核反应堆的距离不同。王贻芳曾在接受媒体采访时说，“核电站在发电时，会产生大量中微子，反应堆功率越大，释放中微子越多，测量精度越高。我们考虑在大亚湾核电基地建实验室，因为大亚湾核电站功率高，是世界第二;同时大亚湾和岭澳两个机组附近均有山体，在山体下建实验室，可利用其岩石覆盖有效屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰。”近探测器探测到的中微子数目，与远探测器探测到的中微子数目会有不同，这个不同可以用来测量反中微子 “消失” 率，从而计算出混合角 。

中微子振荡的量化描述分别是theta12、theta23、theta13，以及两个质量平方差和一个电荷宇称相位角。其中前两者都已经在大气中微子和太阳中微子实验测量到，而且值都比较大。日本的超级神冈实验发现，大气中微子穿越地球时较多mu子中微子转化为tau子中微子，而较少电子中微子转化为tau子中微子，这就是因为2-3混合角比较大，而1-3混合角比较小。目前，我们并不清楚到底是什么决定了中微子的质量和混合角，比如中微子为什么有这么小而又不为零的质量?很多物理学家提出了种种猜想，试图解释中微子获得质量和发生混合的机制，那么精确地测量1-3混合角以及一些其它参数，就可以检验这些理论，精确的测量值也会启发物理学家提出一些新机制。测量出theta13，便成了探测到中微子、探测到中微子振荡theta12、theta23之后的重要目标。王贻芳领导的大亚湾中微子实验实现了这个目标。

中微子的神秘面纱是如何揭开的

19世纪末，人们发现了放射性：原子核会发生衰变。其中有一种衰变，叫beta衰变，会发射出beta射线，也就是电子。人们经过仔细测量后发现一个奇怪的现象，就是同一种核产生的beta衰变电子能量不是一个固定值。问题就在这里： beta衰变后的原子核几乎是固定不动的，它的能量可以用质能公式E=mc²算出来，如果电子能量是可变的，那么衰变后的总能量就不守恒了。

为了解释这一现象，当时有两种猜想：玻尔猜想也许在 beta衰变中能量不守恒，泡利则猜想也许在beta衰变中除了电子外还产生了另一种没有被观测到的粒子。为什么它没有被观测到呢?如果这种粒子不带电，质量又很小，就可以不被观测到。泡利把这种粒子称为“中子”(neutron)，也就是中性(不带电荷)粒子的意思。不过因为这个名字与我们熟知的中子相冲突，所以后来费米把它改名为中微子(neutrino)，“-ino”是意大利语中“小”的词根。中微子就是“小的中子”。中微子是一种不带电的、仅参与弱相互作用的粒子。

由于中微子不参与强相互作用和电磁相互作用，因此它很难探测。1942年，我国著名科学家王淦昌先生提出了用beta俘获探测中微子，但直到1956年，Clyde L. Cowan 和 Frederick Reines才用核反应堆作为中微子源探测到了中微子，他们因这一工作于1995年获得了诺贝尔奖。

如何做到的呢?不是说中微子难与别的粒子反应吗?难发生相互作用，不代表不可以。如果用巨量的中微子轰击巨量的“靶粒子”，就还是可能找到中微子存在的证据。后来的中微子实验都基于这个道理。

中微子不只一个味，中微子共有电子中微子、mu子中微子和tau子中微子三种味。Leon M. Lederman, Melvin Schwartz和Jack Steinberger利用质子加速器发现了mu子中微子，用实验证明了存在不同“味道”的中微子，也就是每一种带电的轻子有一种与之对应的中微子，与电子对应的叫电子中微子，与mu子对应的叫mu子中微子。他们于1988年获得了诺贝尔物理学奖。后来，科学家们发现tau子应该也有其对应的tau子中微子。

中微子会由一种“味道”变成另一种“味道”，比如由电子中微子变成mu子中微子，但这种变化不是永久的，过一段时间后又变回来，好像钟摆会摆来摆去一样，所以叫中微子振荡。中微子振荡是意大利物理学家Bruno Pontecorvo(1913-1993) 于1957年提出的。

除了核反应堆，太阳内部的核聚变、超新星爆发等也能产生中微子。地球上的中微子大部分来自于太阳。

60年代末，Raymond Davis Jr.想出了一个方法来探测太阳的中微子，继续沿用巨量中微子撞击巨量靶子的想法：太阳作为实验的中微子源，地下一个1478米的Homestake金矿井里的一个装有38万升四氯乙烯的储液罐作为捕捉中微子的设备。这个实验被称作Homestake实验，设备捕捉到的中微子数量只有理论预言的1/3。对于不见的2/3，有一种猜想便是：是否太阳内部产生的中微子在传播过程中变成了另一种中微子，而Davis的实验只探测到了其中的一种。1998年，Masatoshi Koshiba领导的超级神冈探测器证实了这一猜想，还探测到了超新星爆炸中产生的中微子。他和Raymond Davis Jr.因首次探测到了天文源中的中微子而获得2002年诺贝尔物理学奖。

2015年获诺贝尔物理学奖的Auther B. McDonald领导的萨德伯里中微子观测站(SNO)也是观测太阳中微子的，但是它有不同的反应探测方式，既有只对电子中微子敏感的探测方式，也有对三种味道都敏感的探测方式。它探测到的太阳电子中微子流量与Homestake等以前的实验结果是一致的，这就证明了以前的实验结果是正确的，而它的中性流反应(也就是对三种味道都敏感的反应)探测到的中微子数量却和太阳标准模型一致，这就证明确实发生了中微子振荡。

太空中有一些高能粒子，称为宇宙线粒子，它们打到地球大气层上层时会发生反应，产生中微子，这些“大气中微子”中既有电子中微子也有mu子中微子，二者有固定的比例。但是中微子可以穿过地球，超级神冈实验可以同时观测从他们探测器上空向下射的中微子和那些穿过地球从他们探测器地下向上射的中微子。1988年，他们发现，太阳中微子确实在这两种情况下电子中微子和mu子中微子的比例有所不同，从地下出射的mu子中微子比例比较小，其解释是：在传播过程中发生了中微子振荡。本来，电子中微子和mu子中微子相互转化还不会改变这个比例，因为转化是相互的，但是还有一些mu子中微子转化为tau子中微子，而电子中微子虽然也会有一部分转化为tau子中微子，但相对而言转化的数量比较少，最后的结果就是mu子中微子数量比例减少。