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大亚湾实验结果到底算不算“发现”? 精选

已有 19779 次阅读 2013-11-22 10:17 |个人分类:我的物理|系统分类:科研笔记| 大亚湾, 中微子

201238日,大亚湾反应堆中微子实验在北京高能所宣布,以5.2倍标准偏差的置信度,发现了一种新的中微子振荡,其振幅为9.2%。发布会上就有记者提出,以前已有实验给出了测量结果,这应该不算是新发现吧?后来也有人提出,有三代中微子混合,理论上一定存在theta13,因此只能说是测量出了数字,不能称之为发现。为此,我们曾向上汇报了一个书面材料,说明大亚湾结果毫无疑问可以称为发现”,不存在学术争论的空间。不料前天我两次在不同场合被问到这个问题。在一个答辩上,整整六分钟的提问时间,都纠缠在这个表达方式是否正确的问题上。


一)国际同行的看法(仅摘选部分代表性文章)


1)美国物理学会在其会刊《物理》上,为大亚湾论文(Phys. Rev. Lett. 108, 171803 (2012),以下简称大亚湾论文)配发观点文章(Physics 5, 47 (2012),参见 http://physics.aps.org/articles/v5/47),由法国Double Chooz实验(大亚湾的竞争对手)成员、MITJanet Conrad教授撰写,标题为:The Daya Bay Collaboration in China has discovered an unexpectedly large neutrino oscillation


2)欧洲物理学会的网站新闻“亚洲实验解开中微子振荡谜团”(标题原文:Asian experiments unlock neutrino oscillation mystery),文中说“The discovery of a non-zero theta13 at approximately 9 degree ……completes our picture of neutrino mixing.参见 http://www.epsnews.eu/tag/daya-bay/


3ScienceDaily 网站新闻的标题为“大亚湾:发现一种新的中微子转换”。标题原文:Daya Bay:Discovery of New Kind of Neutrino Transformation,参见 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120308071054.htm


4)论文Vernon Barger et al. Phys.Rev.Lett.109 (2012) 091801, 论文摘要里称“The recent discovery by the Daya-Bay and RENO experiments, that theta_{13} is nonzero and relatively large, significantly impacts existing experiments and the planning of future  facilities. ” Vernon Barger是威斯康星大学的讲席教授。


5)费米实验室的MINERvA 实验合作组论文Phys.Rev.Lett.111, 022501 (2013),正文第一句为:The recent discovery that the neutrino mixing angle theta_13 ~ 9° [1-5] makes measuring the hierarchy of neutrino masses and CP violation possible in precision neutrino oscillation experiments.


6)论文 P. Coloma, P. Huber, J. Kopp, W. Winter, Phys.Rev.D87, 033004 (2013)正文第一句:The story of large theta-13 has unfolded in fast succession from first hints in global fits [1-4], via direct indications from T2K[5], MINOS[6] and Double Chooz [7] to a discovery by Daya Bay[8], which was soon confirmed by RENO[9]。作者为来自弗吉利亚理工、费米实验室、德国马普研究所的一组著名中微子理论家。


7)论文 Mu-Chun Chen et al., JHEP 1302 (2013) 021, 正文第一句为With the independent discoveries of a nonzero theta-13 from the Daya Bay [1] and RENO [2]collaborations, and the supporting hints from the T2K [3], MINOS[4], and Double Chooz[5] experiments, we now possess the first complete experimental picture of the Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata(PMNS) mixing matrix." 作者Mu-Chun ChenUC Irvine的知名中微子理论家。


二)大亚湾结果与以前测量结果的关系


在大亚湾论文公布以前,日本T2K实验发表了论文(Phys.Rev.Lett.107,041801(2011)),表明测量到了6个电子中微子事例,本底为1.5个,说明theta13不为零,信号显著度为2.5倍标准偏差。受T2K启发,美国MINOS实验做了类似分析,得到类似结果,信号显著度为1.7倍标准偏差。其后,法国DoubleChooz实验也发表了一个1.7倍标准偏差的结果。


在粒子物理实验中,3倍标准偏差以下称为迹象(hint,indication)3倍以上称为证据(evidence)5倍以上称为发现(discovery)。因此,T2K论文的题目为“Indication of Electron Neutrino Appearance ……”Double Chooz论文的题目为“Indication of Reactor nu_e_bar Disappearance in the Double Chooz Experiment"。如果他们的论文题目中出现了Evidence, Discovery, Measurement, Observation等字样,PRL的编辑是要拒稿的。


之所以这样规定,是因为从以往经验看,低于3倍标准偏差的结果最终被证明不对的概率很大。例子不胜枚举。最近的一次是美国费米实验室的MINOS实验2011年发现正反中微子振荡不同,可能存在CPT对称性破坏(Phys.Rev. Lett. 107, 021801 (2011)),信号显著度为2.3倍标准偏差。2013年在获取更大数据量后自己否定了。


在上面(一)67中的两组理论家对各实验的评价是代表性的,即唯象学的global fitT2KMINOSDouble Chooz实验结果为“迹象”,大亚湾结果才算是“发现”。事实上,迟至2013719日,T2K实验才发布新闻,最终确定发现了电子中微子出现现象(等价于theta13非零),参见
http://www.interactions.org/cms/?pid=1033083


三)测量结果的中心值


T2KDouble Chooz首次结果的中心值与大亚湾结果相仿,被一些人认为是“不算发现”的证据。下图列出了20112013年关于theta13测量的全部实验结果。可以看出T2K(蓝框中的数据点)与大亚湾结果偏差较大,Double Chooz(红框中的数据点)首次结果与大亚湾相近纯属巧合,增加统计量后,结果反而与大亚湾相差更大。


大亚湾实验三篇论文给出的中心值分别为0.092, 0.089, 0.090。结果相当稳定,世界平均值也基本上由大亚湾测量结果主导。T2K实验是长基线加速器实验,除实验误差外,未知的质量顺序和CP破坏相角对测量结果也有很大影响。假定CP为零,正质量顺序下T2K首次结果为0.04,反质量顺序下与大亚湾相近。最新的结果则分别为0.150.18,远远大于大亚湾结果。Double Chooz结果则在0.040.20之间波动。下图中的测量数据分布是基本符合统计规律的,即围绕真值在一倍标准偏差尺度上波动。如果误差很大而中心值一样,反而不符合统计规律,一般说明数据有假或有错。



四)理论与实验的关系


大亚湾实验发现了一种新的振荡模式。假定只存在三代中微子混合,该振荡的测量结果与theta13对应。有人说,理论上已有预言存在theta13,这就不能叫“发现”,只能叫“证实(confirmation)”。


事实上,虽然集大成者常常是理论家,但物理学本质上是实验科学。新的实验事实都可以称作“发现”,与是否先有理论预言没有关系。例如,粒子物理的弱电统一理论预言了W±Z0的存在,它的实验结果仍叫“发现”,实验和加速器的负责人被授予了诺贝尔奖。希格斯粒子早有预言,人们花了30多年的时间来寻找它,最后是被“发现”了。


即便在三代中微子混合的框架内,有很多人预言了theta13,但其预言值从0到实验给出的上限,几乎没有预言价值。大亚湾的实验结果最后排除了绝大部分模型。何况,还有一些理论预言存在某些对称性,使theta13为零。因此,实验上确立theta13不为零具有重要意义,称为“发现”毫不为过。

五)大亚湾论文的题目为什么没有“发现”这个词

   大亚湾论文的题目“Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay”是经过深思熟虑的。首先不能出现theta13,因为这是理论模型相关的。即使将来三代中微子混合的理论改进了,论文也要能站得住脚。没有叫Discovery of a new neutrino oscillation,是因为语义含糊,而且KamLAND实验已通过反应堆中微子实验发现了另一种与theta12相关的反应堆中微子振荡。对实验家来说,MeasurementObservation具有确定性的含义,其确定性与Discovery是一样的。

六)结语

   从我们的国际交往,以及上面引用的实验家与理论家的表述中可以看出来,称大亚湾实验结果为“发现”,在国际同行中是不存在争论的。

由于基础研究的公开性,科学前沿的竞争往往非常激烈,能够干干净净“完胜”竞争对手的情况极少。象大亚湾实验这样比较干净的已属少数。最近几年我国在细分领域取得了一些世界级的成果,科研实力的增长非常显著,相信未来会有更多,其中有一些可能会不那么容易说清楚。希望我国科学界能相互支持,推动中国科研成果在世界上的影响力。

 




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