[原创] 评大亚湾中微子实验结果解释

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[watermark] 评大亚湾中微子实验结果解释 -----质量超弦中微子振荡验证庞加莱猜想 曹建翔 【摘要】我们说中微子实验是金矿，原因并不仅是中微子实验能得诺贝尔物理奖，以及在中微子通讯、中微子地球断层扫描，无化学与核污染的中微子能源、材料、环境等的运用和开发，前景广阔，而主要是核电基地很多国家都能开发，那么广泛开展的核电基地中微子实验，将成为推动前沿科学或高能物理的理论发展与验证的金矿。 【关键词】中微子振荡 大亚湾设计 粒效团 庞加莱猜想 一、大亚湾中微子实验设计中的美中不足 大亚湾中微子实验从2011年12月24日开始，到2012年2月17日55天收集到的数据中，实验组发现，近探测器共探测到80376个反中微子，而远探测器只探测到10416个中微子。置信度高达5.2个标准差，说明我国的这个参数值不为零。 2012年3月8日大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。3月16日《科学》杂志发表文章，报道大亚湾研究团队击败了日本、美国、法国和韩国的四个团队，第一个精确测量到第三种中微子振荡几率，并称此重大成果标志着中国科研正在崛起，这是中国有史以来发现的最重要的物理学成果。我们感到很振奋。 但我们读了中科院高能所研究员曹俊教授，最近写的博文《大亚湾中微子实验结果的简单解释》后，认为大亚湾中微子实验的设计和结果的简单解释，还有美中不足，特提出来请教。这里先来谈第一个问题。 1、曹俊，中科院高能所实验物理中心副主任，大亚湾中微子项目副经理、中心探测器系统负责人。1972年出生于湖南。1993年毕业于武汉大学物理系，1998年在高能所获理论物理专业博士学位。1998年至 2000年在法国奥塞直线加速器实验室作博士后。2001年至2004年在美国密歇根大学任研究助理，参与费米实验室的中微子振荡实验。2004年作为“引进国外杰出人才”入中科院。回国后一直从事大亚湾反应堆中微子实验，先后负责软件与物理分析、中心探测器研制。主要研究方向有探测器模拟、物理分析、探测器研制。下面是有人读曹教授的博文问的4个问题，从他的回复可略知中微子问题的深浅。 1）有人问：大亚湾实验能确定探测到的是哪一种中微子?是否能分别三种不同的中微子的？曹俊的回复是:大亚湾只能测到一种中微子。通过反beta衰变反应，只能是电子反中微子。现在测中微子基本上是测它反应后产生的带电轻子。不同的轻子在不同的探测器中，有粒子鉴别的方法。 2）有人问：是不是中微子在飞行的过程中，速度的大小会变？因为三个中微子质量不同，如果要动量守恒的话，它的飞行速度应该会变。曹俊的回复是:这好象涉及到比较抽象的理论问题。如果没有测量的话，那么它是一个量子力学的混合态，三种成份以不同几率存在，不好说它现在是哪一种中微子，只有在测量后，波函数才塌缩。 3）有人问：中微子为什么会震荡？是不是因为相互作用引起的？三种中微子的质量是不是一样的？曹俊的回复是:按量子力学的状态演化方程，它自己就能振荡，跟电磁波一样，不需要外力。三种中微子质量不一样，振荡频率正比它们之间的质量平方差。 4）迄今已观测到的中微子的最高能量是多少？无论其来源如何（反应堆、加速器、太阳、宇宙线及其与大气作用……），但证据必须确凿无疑。曹俊的回复是:没有调研过，可能就是Super-K看到的大气中微子100GeV左右。在这个能量，他们已经测不准了。曹教授还说，反应堆中微子的振荡规律，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）。其中Dm231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。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sin22q13的几率变成其它中微子。 2、确实如曹俊教授说，规律是简单的，又不那么简单，且精确定出反应堆中微子的能量也不那么容易。但不影响大亚湾中微子实验设计美中不足的描述和结论。 那么在此次大亚湾中微子实验中，实验设计的美有那些呢？除曹教授说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，就能找出来外，据中国科技网记者王春报道，承担着刻度系统的安装、调试、取数和物理分析工作，也就是设计一把“刻度尺”，帮助测量出新的中微子振荡几率，从而为这一世界性成果做出了关键性贡献的上海交通大学刘江来中微子团队，还认为有： 1）刘江来教授说，测量就是制定一种标准。比如测量长度时，要有一把事先校对好的尺子。测量重量时，要有几个事先已知重量的砝码。同样，刻度系统就是把几种已知能量的放射源放入探测器，以此得到几种不同能量与观测到的光的量之间的转换关系。中微子在探测器中反应时会放出一定量的光，因此可通过观测光的量的多少来确定中微子的能量。中微子能量越高，反应得到的光就越多，但这并不是简单的倍数关系。在此次实验中，就是把这之间的转换关系搞清楚，以通过观测到的光的多少来精确地反推出中微子的能量。 2）为所有数据“验明正身”，刘江来团队独立开发了监控数据质量的实时监控软件、监控网站以及数据库，承担了大亚湾实验数据质量筛选的主要任务。大亚湾实验采用国际先进的全电子学设计，实验数据每隔十几分钟，都会由计算机自动记录，压缩成单个文件，并传送到中科院计算中心和美国伯克利国家实验室计算中心，每天的数据量是310GB。 3）由于实验过程中一些不可避免的因素会产生部分干扰数据，这些数据如果混入最后的数据分析中，会严重影响实验结果的正确性。有些干扰数据，值班人员可以发现，如实验设备的高压异常，有些他们无法直接发现，如大亚湾反应堆异常对实验的影响、宇宙射线短期异常等。每天310GB的数据文件，每一个都要经过层层筛选，以确保最后的数据分析能顺利进行。刘江来说，他们就是所有数据文件的质监部门。 4）不放过0.1%的疑似信号，刻度系统是实现实验能量精确测量的关键之一，但研究人员经仔细研究发现，刻度系统所使用的放射源，即使在完全受保护的情况下，也会在探测器中产生少量假的疑似中微子信号，这部分信号大约占不到0.1%。刘江来团队计算了这部分疑似信号量，并成为大亚湾合作组最后公布的官方数据。同时，该团队还独立计算了宇宙射线带来的部分疑似信号，很好地验证了合作组其他成员的分析结果。 5）为减少误差，刘江来团队对中子探测效率也作了细致的研究。由于中微子与物质相互作用极微弱，不易直接测量。大亚湾中微子实验的手段是利用中微子与探测器内的质子反应，产生中子和正电子；通过探测中子和正电子来间接测量中微子。因此，中子探测效率的精确测量直接关系到中微子探测的准确性，是整个实验的误差控制当中的重要环节。 3、正如曹俊教授所说：“当然这不是科学的描述，需要准确描述的请看正经的论文”。这说到点子上，但我们认为的美中不足，也不是正经的论文。我们的设想是：如果大亚湾核电站6个反应堆的6个中微子探测器，如果是固定的，就还不够，应该如EH1一样，在EH2内放置两个探测器，即应有七个固定的中微子探测器。如果只用六个中微子探测器，那么在EH3内放置的3个探测器中，应该有一个是可移动的，如西昌卫星发射基地的卫星发射架一样，可沿轨道行进。这是容易做到的。这样在EH3和EH2之间有一个是可以来回的探测器，因此在各种变化的条件下，采集到的对比数据更充分，探测和分辨的精确性和准确性更高一些。以上就是我们变“美中不足”为“锦上添花”的意思。 曹俊教授说，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。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？曹教授说，除了在振荡极大值处放置探测器来测量振荡大小外，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。六个反应堆和六个中微子探测器，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D1、D2两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。 1）从曹俊教授以上介绍，可以看出，三个地下实验大厅内是由水平隧道连接。那么安装可移动中微子探测器车架的轨道，是可行的，且造价也就比没有水平连接隧道的建于深深的地下的探测器低。 2）既然EH1内是安装两个探测器，监测大亚湾核电站D1和D2两个反应堆的中微子流强。为什么在EH2内只安装1个探测器？况且是监测岭澳和岭澳二期四个反应堆的中微子流强；这里岭澳的四个反应堆，比前者的两个反应堆还多出两个。 3）在一个地点同时安两个探测器，是类似量子计算机的纠错或避错码功能的装置原理：在量子计算机中，至少要用到两个原子，其中一个除起逻辑测定外，这个额外的位还能起内部量子误差自动校正纠错的作用。在EH2内只安装1个探测器，也许会减少大亚湾中微子实验中，测量到其中微子振荡几率的精确度。不信，可以试试。 4）从刘江来教授的介绍，可知大亚湾实验的探测器，是目前最为先进的中微子探测器，因为他们独立开发了监控数据质量的实时监控软件、监控网站以及数据库；采用的是国际先进的全电子学设计；原理也很新，是利用中微子与探测器内的质子反应，产生中子和正电子，再通过探测中子和正电子来间接测量中微子。这一切说明，该探测器不是很庞大和笨重，这为安装一台可移动的中微子探测器创造了条件，且造价也就比类似日本Super-Kamiokande中微子实验，是由一个装满5万吨水的大容器和11000多根光倍增管组成的探测器，研究人员是坐着一艘小船行驶于其中的低。 刘江来探测器是否像1993年在洛斯阿尔莫斯国家实验室中，建造的液体闪烁器中微子探测器？我们不清楚。液体闪烁器中微子探测器的怪异之处，是发现可能存在第四种或更多类型的中微子；不过持怀疑态度的人很多，这是一大谜团。该探测器的著名之处，在于它发现了电子反中微子，但也只模糊说能弄清从一种类型转变成另一种类型。为证实或否定液体闪烁器中微子探测器实验的发现成果，从2002年起，美国费米实验室开始启动“迷你升能器中微子实验”的新探测实验，实验最终表明，两大实验的结果一致，都存在许多怪异现象，需要建造更多的探测器和实验设施，去解答这些谜团。 4、从核反应堆考虑研究中微子，大亚湾实验探测器并不是最先的。早在20世纪30年代，物理学家沃尔夫冈-保罗开始认识到，核衰变过程可能比此前认为的更复杂；如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物，其中应该就有中微子。在中微子被假定存在的最初25年内，美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。研究中微子的物理学家认识到，这些核反应堆每秒每平方英寸内辐射出300万亿个中微子，因此可以用来探测中微子。如在β衰变的反过程中，这种直接撞击可以产生伽马射线。尽管中微子很难与其他物质结合，但是也存在一种微弱的可能性，即存在足够多的物质，一个中微子应该可以撞击到某种事物。1956年，物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器，并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河核电厂附近，只要反应堆开启，他们的实验就有可能首次探测到中微子。雷因斯因此于1995年荣获诺贝尔奖。 从这里可以看出从核反应堆研究中微子，探测器还不是分辨是何种类型的中微子，而是从各种条件和方位收集的数据来分辨有没有中微子？中微子发生了振荡没有？几率是多大？因此我们如何来看待大亚湾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呢？曹俊教授对这种测量的分析是：以横坐标作为中微子的飞行距离，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EH1和EH2，振荡很小，是因为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EH3的3个探测器，可以看到明显的振荡效应。 1）曹教授说，在远点的三个探测器，他们总共观测到约1万个中微子，因此统计误差约为1%。通过EH1和EH2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，比值有6%的中微子丢失了，统计误差为1.1%，系统误差为0.4%。由于大亚湾设计这个实验时，认为如果前面两个实验都没有测到振荡，它肯定小于0.15。而且0.01是一个关口，当sin22q13<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。 2）但现在已测量到0.01。曹教授说，这对中微子物理的发展方向，具有指路标的作用。大亚湾已对实验费了很大的劲，设计了很高的精度；先是准备用三年的时间，将它测量到0.01，最希望它在0.03左右。但没想到它这么大，仅用了55天的数据就测量到了5.2倍标准偏差，颇有点高射炮打蚊子的感觉。但我们存疑的是，如果按上面我们的“锦上添花”的方案，再检查目前这个“美中不足”的结果，又如何呢？ 5、刘江来教授介绍大亚湾实验的中微子探测器，虽说是目前最为先进的，但能否还可再升级呢？这当然主要还是要靠整体理论的发展。例如微观粒子具有波粒二象性，而探测器主要是计量中微子的粒子性，不是波动性。那么什么叫做粒子？什么叫做波？这时会引入两个概念，即中微子“粒效团”考虑和中微子随机力学“系综诠释”的广义系综考虑，来代替目前探测器认为的能描述“单个中微子”数目的想法。那么再升级的中微子探测器，也许能运用微流控芯片中评估粒效团的新方法。 1）这里可类比成功地将纳米材料应用于生物分析领域，开展的生物分子的检测和细胞代谢研究。例如用微流控芯片纳米探针技术，评估抗癌药物药效，提供的在微流控芯片中对单个细胞水平的凋亡动力学分析。这里中微子粒效团微流控芯片探针已转换为能量与速度的动力学分析评估，其模具类似把美国约翰-霍普金斯大学应用物理学实验室设计的“星际列车”发射系统，对应类比大亚湾；把中微子源核裂变反应堆EH1和EH2对应“星际列车”，把D1、D2、L1-4及其连通隧道，对应发射系统的那条长约1609公里的真空管道和那些超导电缆将磁悬浮列车送往的大量的轨道。理论上讲，类似这里的轨道速度，和用于火车及缆绳所需的悬浮力的能量，正是中微子探测器能发挥的功能。 其次，还可以根据探测器给定的此核裂变反应堆的微观组分的纯汉密尔顿力学特性，用最为普遍适用的“粒效团”计算出中微子振荡的热力学量。 2）但这要放弃目前探测器，企图编造中微子计数粒子的种种假设；而这里的理论，也需要把中微子的粒子性和波动性，转换为“粒效团”来考虑。 这可以借鉴药效团（pharmacophore）概念，来发挥微流控芯片纳米探针中微子探测器的功能。所谓药效团是指配体被生物大分子进行分子识别，所必需的物理化学特征及其空间排布，其定义是：一个药效团模型阐释结构多样性的不同配体结构，如何与一个共同的受体位点相结合。此外药效团模型可以被用于通过全新药物设计，或虚拟筛选鉴定将与相同的受体结合的配体。其次应用于药物设计和开发的药效团模型，也得力于前线分子轨道理论的指导，这恰与中微子轨形拓扑结构模型的前线轨道描述也有连接性。 3）而且从中微子的质点系能量均分定理考虑，有人认为，中微子计数的粒子如果具有的性质完全一样，总能量相等，但n个坐标和n-1个动量各自不同，并以此开始运动的许多系统，同时考察某一给定时刻处于某一相位(a,b)的系统的数目，每个系统的运动与其他系统无关。即一个中微子的粒子即使不考虑是由质点组成的一个系统，而考虑除运动初始条件外，在其他一切方面都相似大量系统，那么不在系统运动的期间跟踪它，而是把注意力放在某一给定时刻，处于某一特殊相的这些系统的数目上，不作任何有关系统本性的假设（因为这些假设也许会限制结果的普遍性），就可以从能量与速度的探测器上正好能弄清这个“粒效团”是否处于那个相？何时进入和何时离开的该相？ [/watermark]

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真理啊 、学习一下~~~