中微子天文望遠(yuǎn)鏡

中微子共有三種，是組成物質(zhì)世界的十二種最基本粒子中性質(zhì)最為特殊，被了解得最少的。它不帶電荷，幾乎不與物質(zhì)相互作用。長期以來，人們認(rèn)為中微子沒有質(zhì)量，而且跟DNA只有右旋一樣，只存在左旋中微子，從而導(dǎo)致了微觀世界的左右不對稱。

最近的物理研究表明中微子具有微小的質(zhì)量。1998年，日本的超級神崗實驗（Super Kamiokande）以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)中微子存在振蕩現(xiàn)象，即一種中微子在飛行中可以變成另一種中微子，使幾十年來令人困惑不解的太陽中微子失蹤之迷和大氣中微子反?，F(xiàn)象得到了合理的解釋。中微子發(fā)生振蕩的前提條件就是質(zhì)量不為零和中微子之間存在混合。2001年，加拿大的SNO實驗通過巧妙的設(shè)計，證實丟失的太陽中微子變成了其它種類的中微子，而三種中微子的總數(shù)并沒有減少。同樣的結(jié)果在KamLAND（反應(yīng)堆）、K2K（加速器）這類人造中微子源的實驗中也被證實。Super-K實驗與Homestake太陽中微子實驗于2002年獲得了諾貝爾獎。

中微子振蕩的原因是三種中微子的質(zhì)量本征態(tài)與弱作用本征態(tài)之間存在混合。中微子的產(chǎn)生和探測都是通過弱相互作用，而傳播則由質(zhì)量本征態(tài)決定。由于存在混合，產(chǎn)生時的弱作用本征態(tài)不是質(zhì)量本征態(tài)，而是三種質(zhì)量本征態(tài)的疊加。三種質(zhì)量本征態(tài)按不同的物質(zhì)波頻率傳播，因此在不同的距離上觀察中微子，會呈現(xiàn)出不同的弱作用本征態(tài)成分。當(dāng)用弱作用去探測中微子時，就會看到不同的中微子。

中微子振蕩示意圖。一個電子中微子具有三種質(zhì)量本征態(tài)成份，傳播一段距離后變成電子中微子，繆中微子，陶中微子的疊加。

中微子的混合規(guī)律由六個參數(shù)決定（另外還有兩個與振蕩無關(guān)的相位角），包括三個混合角q_12、q_23、q₁₃，兩個質(zhì)量平方差Dm_21、Dm₃₂，以及一個電荷宇稱相位角d_CP。通過大氣中微子振蕩測得了q₂₃與|Dm₃₂|，通過太陽中微子振蕩測得了q₁₂與Dm₂₁。在混合矩陣中，只有下面的兩個參數(shù)還沒有被測量到：最小的混合角q₁₃、CP破缺的相位角d_CP。測得的q₁₃的實驗上限是：sin2q₁₃<0.17 （在Dm₃₁ = 2.5×10eV下），由法國的Chooz反應(yīng)堆中微子實驗給出。

q₁₃的數(shù)值大小決定了未來中微子物理的發(fā)展方向。在輕子部分，所有CP破缺的物理效應(yīng)都含有因子q₁₃， 故q₁₃的大小調(diào)控著CP對稱性的破壞程度。如果它是如人們所預(yù)計的sin2q₁₃等于1%～3%的話，則中微子的電荷宇稱（CP）相角可以通過長基線中微子實驗來測量，宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱現(xiàn)象可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角無法測量，用中微子來解釋物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱的理論便無法證實。q₁₃接近于零也預(yù)示著新物理或一種新的對稱性的存在。因此不論是測得q₁₃，或證明它極?。ㄐ∮?.01），對宇宙起源、粒子物理大統(tǒng)一理論、以及未來中微子物理的發(fā)展方向等均有極為重要的意義。

q₁₃可以通過反應(yīng)堆中微子實驗或長基線加速器中微子實驗來測量。在長基線中微子實驗中，中微子振蕩幾率跟q_13、CP相角、物質(zhì)效應(yīng)、以及Dm₃₂的符號有關(guān)，僅由一個觀測量實際上無法同時確定它們的大小。而反應(yīng)堆中微子振蕩只跟q₁₃相關(guān)，可以干凈地確定它的大小，實驗的周期與造價也遠(yuǎn)小于長基線中微子實驗。從Reines和Cowan第一次發(fā)現(xiàn)中微子到第一次在KamLAND觀測到反應(yīng)堆中微子振蕩，在這50多年歷史中，反應(yīng)堆中微子實驗一直扮演著重要角色。特別是最近的Palo Verde、CHOOZ、以及KamLAND幾個實驗的成功，給未來的反應(yīng)堆中微子實驗提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)，使q₁₃的精確測量成為可能。

反應(yīng)堆中微子振蕩幾率與離反應(yīng)堆距離的關(guān)系。圖中列出了過去重要的反應(yīng)堆實驗，以及大亞灣中微子實驗中近探測器與遠(yuǎn)探測器所在的位置（紅三角形）。