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中微子振荡数据整体拟合荣获Pontecorvo奖 精选

已有 8556 次阅读 2018-4-22 09:58 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

 2018年3月,俄罗斯杜布纳联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research of Dubna)公布了2017年度的Pontecorvo Prize评选结果:意大利理论物理学家Gialuigi Fogli和Eligio Lisi获奖,以表彰他们开创性地发展了中微子振荡实验数据的整体拟合(global fit)技术,并在直接测量得以实现之前初步预言了最小的中微子混合角theta(13)的大小。

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Fogli和Lisi带领的研究团队从1990年代初就开始尝试将当时的各种中微子振荡实验数据结合在一起进行系统地分析,目的在于提取相关的振荡参数,即中微子质量平方差和混合角。由于那时的实验数据相当粗糙,可谓鱼龙混杂,因此他们的分析也在标准三代中微子的框架内做了一些简化和近似,比如假设最小的中微子混合角为零,以及CP对称性守恒。尽管当时独立分析太阳中微子实验数据的课题组有好几家,但Fogli和Lisi团队是第一家把太阳中微子、大气中微子以及短基线反应堆中微子实验数据整合起来做拟合分析的。

众所周知,中微子振荡实验的历史转折点是1998年夏天公布的日本超级神冈实验结果。该实验一方面以模型无关的方式确认了大气中微子振荡的存在以及确定了相应的大混合角,另一方面也表明太阳中微子失踪之谜的答案应该也是大混合角的振荡行为(但无法判断是真空振荡还是物质效应为主的振荡)。几年后的加拿大SNO实验和日本KamLAND实验确认了B-8太阳中微子的“味”转化是由大角真空混合与物质效应所导致的。

到了2003年前后,全世界的中微子物理学家都将目光投向了当时尚未可知的第三个中微子混合角theta(13),于是新一代的反应堆中微子实验也应运而生,其中包括中国的大亚湾实验、韩国的RENO实验和法国的Double Chooz实验。问题的关键在于,theta(13)角到底有多大,才可能被这一轮反应堆实验探测到?以中美科学家为主体的大亚湾国际合作组设计的实验精度达到了对theta(13) = 3° 敏感的历史性精度,但理论物理学家对此却没有令人信服的预言。

2008年4月中旬,在中微子学界颇有名气的威尼斯会议召开,Fogli教授应邀作了关于中微子振荡实验数据整体拟合的报告,而我本人也恰好是本次会议的邀请报告人,当场聆听了他的演讲。Fogli在他的报告中指出,他们的最新拟合结果表明,theta(13)在一个标准偏差的置信度下不等于零,其中心值约为7.3°。我对这个结果很感兴趣,立即问也坐在听众席的Lisi教授:这样的初步分析结果值不值得当真?他笑了,说毕竟只有一个标准偏差,但谁知道呢!

威尼斯会议结束之后,我马上撰写了一篇短文,提出了一种新的中微子混合模式,大胆地预言theta(13)混合角的数值约为8.4°,然后将论文投给了美国物理学会主办的《物理评论D》期刊。不久这篇短文就在该期刊的通讯(Rapid Communication)栏目发表了,尽管我所做的预言是一种纯粹唯象学意义上的推测,但它却反映了我当时的基本态度:既然没有任何强有力的理论理由表明theta(13)等于零,那么它也许不应该太小。

2008年6月,Fogli和Lisi课题组将他们在威尼斯会议上报告的分析结果正式整理成文,题目是“Hints of theta(13)>0 from global neutrino data analysis”(中微子实验数据整体分析所给出的关于theta(13)>0的迹象)。该论文发表在10月初的《物理评论快报》上,至今已经被引用300余次。

2008年7月底至8月初,国际高能物理学界的盛会ICHEP2008在美国费城召开,我应邀作了关于中微子理论的大会综述报告,并在报告中强调了Fogli和Lisi团队的整体拟合结果,见上图。我随后在演讲中又自问了两个重要问题:

----“What is the value of theta(13)?It must be small。But how small is small?”(theta(13)的数值是多少?它一定很小,但多小才算小呢?)

----“Reactor and accelerator neutrino oscillation experiments can answer,but can they answer before a global fit yields a definite prediction?”(基于反应堆和加速器的中微子振荡实验可以回答这个问题,但是它们能在整体拟合分析做出确定预言之前回答吗?)

然后我进一步举例指出,1995年以前针对各种电弱精确测量结果的整体拟合就预言了顶夸克的质量大致在175 GeV附近,结果美国费米实验室后来的直接测量证实了这一点。所以,我们也必须认真对待有关中微子振荡实验数据的整体拟合分析所给出的暗示。

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2011年秋天,Fogli和Lisi团队在《物理评论D》期刊上重新发表了一篇论文,题目与2008年的文章题目只有一字之差:“hints”(迹象)换成了“evidence”(证据),置信度由当初的一个标准偏差提高到三个标准偏差左右。他们之所以得到这样的结果,是因为考虑了当时的日本T2K实验和美国MINOS实验的数据,这两个基于加速器的中微子振荡实验都暗示了最小的中微子混合角theta(13)很可能没有很多人想象的那么小。

一锤定音的时刻终于在2012年3月8日来临。这一天,大亚湾国际合作组的中方发言人王贻芳教授向全世界宣布,大亚湾实验以5.2个标准偏差的置信度发现了短基线反应堆中微子振荡现象,并令人信服地测得最小中微子混合角theta(13)的数值:8.8°。我当年最担心的局面终于没有出现:大亚湾实验还是抢在了整体拟合分析和其他竞争对手之前完成了一次具有里程碑意义的测量。一个月之后,韩国的RENO合作组也宣布了他们的测量结果,比大亚湾实验低了0.4个标准偏差,尽管他们的实验取数比大亚湾合作组的取数早了好几个月!

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据说Fogli和Lisi课题组在大亚湾实验结果公布以后,曾写信给大亚湾合作组要求我们引用他们的整体拟合文章。由于直接实验测量原则上并不受理论模型和整体拟合分析的影响,他们的诉求没有得到响应。

2016年,王贻芳教授以及RENO合作组的发言人金苏邦(Soo Bong Kim)和T2K合作组的负责人西川公一郎(Koichiro Nishikawa)一起荣获了Pontecorvo奖,以表彰他们为新一代反应堆和加速器中微子振荡实验所做出的杰出贡献。而一年后,这一中微子物理学界的重要奖项终于承认了理论物理学家Fogli和Lisi的整体拟合工作,可喜可贺!

本文已经发表在高能所微信公众号。



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