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大亚湾中微子实验结果的简单解释 精选

已有 18262 次阅读 2012-3-11 02:40 |个人分类:我的物理|系统分类:科普集锦|关键词:大亚湾,中微子,theta13| 大亚湾, 中微子, theta13

2012年3月8日,大亚湾反应堆中微子实验国际合作组在北京宣布,发现了中微子的第三种振荡模式。

http://www.ihep.cas.cn/zt/zt_DYB_N/ 诺贝尔奖获得者李政道、Carlo Rubia,以及世界各大实验室纷纷来信祝贺。

 

1998年,日本的超级神岗实验以确凿的证据,用大气中微子实验数据证明中微子存在振荡现象,即中微子在飞行过程中,会从一种中微子变成另一种中微子(然后再变回来)。2002年,领导超级神岗实验的小柴昌俊与瑞×戴维斯一起获得了诺贝尔奖。瑞×戴维斯从上世纪60年代开始进行了30年的太阳中微子实验,发现了太阳中微子振荡。

 

现在共发现了三种中微子,而且根据对撞机实验数据,可以确定只存在三种中微子(不考虑特殊情况)。三种中微子,两两之间转换,可以有三种振荡模式。其中太阳中微子振荡称之为$\theta_{12}$振荡,大气中微子为$\theta_{23}$振荡。还有一种振荡模式没有找到,就是大亚湾实验寻找的$\theta_{13}$ (读作西塔一三,不是十三)振荡。90年代的Chooz实验和Palo Verde实验给出了$\theta_{13}$的上限值,说明它很小。去年T2K实验和Double Chooz实验给出了$\theta_{13}$比较大的迹象,但信号不够显著。


 中微子的振荡规律,简单地说,可以表示为一个能量为E的中微子,飞行距离L后,仍然是它自己的几率(存活几率):

 

反应堆中微子的振荡规律。其$\Delta m^2_{31}$已由大气中微子实验测定,反应堆中微子的能量分布是知道的,因此可以算出振荡极大值在2公里左右。

反而言之,与1的偏差就是它发生振荡,变成其它种类中微子的几率。它是随飞行距离余弦振荡的,最多有$\sin^22\theta_{13}$的几率变成其它中微子。规律总是简单的,但又不那么简单。上面的公式忽略了类似的两项,而且精确定出反应堆中微子的能量也不那么容易,不过不影响我们的描述和结论。

 

 

Theta13很小,也就是说只会有很少的中微子丢失,因此需要非常精密的实验才能观察到。大亚湾实验的设计精度为1%,即只要有1%以上的中微子发生振荡,我们就能找出来(这不是科学的描述,需要准确描述的请看正经的论文)。

 

反应堆在发电时会发出大量的中微子,它们是不稳定的裂变子核发生$\beta$衰变后发出的。由于是衰变产生的,因此是各向同性的向四周发出,强度精确地反比于距离平方。裂变过程非常复杂,因此难以精确地预言反应堆到底发出了多少中微子,这样,当我们观测到一定数量的中微子时,并不容易知道到底是它丢失了,还是发出得就比我们想象的少。这个误差大约是2-3%。那我们怎么能测到1%的振荡呢?

 

除了在振荡极大值处放置探测器来测量振荡大小外,我们在距反应堆很近,振荡还没有发生的地方也放置探测器来测量反应堆发出了多少中微子。通过建造一模一样的探测器,远点和近点相对测量,这样反应堆带来的误差就抵消掉了。在同一个实验厅(EH1)放置两个探测器,可以通过比较直接验证我们的系统误差估计。大亚湾实验是第一个进行远近相对测量的反应堆中微子实验,因此精度比其它实验高得多。



D1,D2,L1-4是大亚湾核电站的六个反应堆。AD1-6是大亚湾中微子实验的六个中微子探测器,分置在三个地下实验大厅内,实验大厅用EH1-3标记,由水平隧道连接。EH1内的两个探测器监测大亚湾核电站D1D2两个反应堆的中微子流强,EH2内的1个探测器监测来自岭澳和岭澳二期四个反应堆的中微子流强。EH3位于振荡极大值附近,放置3个探测器来测量振荡大小。

 

三个实验厅内的六个中微子探测器测量到的中微子数与预期中微子数的比值。横坐标是中微子的飞行距离。纵坐标为1的虚线表示没有振荡。红线为中微子的振荡曲线的最佳拟合值。在近点实验厅EH1EH2,振荡很小(这里的振荡主要来自较远的反应堆,比如从岭澳反应堆到大亚湾近点EH1的两个探测器距离超过1公里,已经有了一些振荡效应),在远点实验厅的3个探测器可以看到明显的振荡效应。

 

 

我们在远点的三个探测器总共观测到约1万个中微子,因此统计误差约为1/$\sqrt{10000}$=1%。通过EH1EH2的数据,可以预言没有振荡的情况下,远点应该看到的中微子数。远点测量值与预期值相比,比值为R=0.942$\pm$0.011(stat)$\pm$0.004(syst)。即有6%的中微子丢失了,统计误差为1.1%,系统误差为0.4%。这个比值换算成混合角$\theta_{13}$,通过更精确的$\chi^{2}$分析,得到


当我们设计这个实验的时候,由于前面两个实验都没有测到振荡,认为它肯定小于0.15。而且0.01是一个关口,当$\sin^22\theta_{13}$<0.01时,现有的技术无法测量中微子的CP破坏相角,需要开发新的实验技术。测量到0.01对中微子物理的发展方向具有指路标的作用。因此我们实验费了很大的劲,设计了很高的精度,准备用三年的时间将它测量到0.01。最希望它在0.03左右。没想到它这么大,仅用了55天的数据就测量到了5.2倍标准偏差(对应振荡不存在的概率是一千万分之一,而且是确定性强的统计误差主导),颇有点高射炮打蚊子的感觉。



大亚湾近点实验厅EH1(地下100米)

岭澳近点实验厅EH2(地下100米)

远点实验厅EH3(地下340米)



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