多功能中微子实验.docx

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1、宇宙中的所有可见物质都是由基本构成部分，即基本粒子组成的。称为费米子的粒子群由两种类 型组成：夸克，组成质子和中子；轻子，即电子，介子，tau粒子和中微子。对于每个基本粒子, 都有一个具有相同特性但带相反电荷的反粒子。最著名的例子是反电子或正电子。人们一直认为, 反粒子的行为会以同样的方式作为颗粒一镜走天下制成反物质，但自1960年以来，我们已经知 道，夸克和antiquarks打破这种粒子反镜像对称，T2K协作组织报告了轻子3违反此对称性的可 能发现。粒子.反粒子镜像对称也称为电荷共饶奇偶反转（CP）对称。它结合了粒子及其反粒子之间的电 荷对称性和奇偶性（即在反物质镜世界中物理定律不应改变的

2、想法）。为什么CP对称性被破坏, 其后果是什么？这个令人困惑的问题是我们对自然法则和宇宙演化的理解的核心。正如1967年安德烈萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出的建议4一样，违反CP是解释为什么宇宙 中的物质比反物质中的过量物质少的关键因素之一。这种不平衡（每100亿个光子5仅有几个粒 子的水平）最终导致地球，行星，恒星和我们自身的存在：如果物质和反物质的数量相等，它们 将在早期相互毁灭。宇宙被an灭为光子。没事了。微小的多余部分是如何由完全对称的初始宇宙产生的？ CP破坏夸克观察到的量是不够的，导致 其6,所以科学家称为leptogencsis一个充分研究机构已经看过轻子CP破坏

3、7。在介绍用来解释 观察到的中微子质量的模型中，中微子的假想重伙伴本来会在早期宇宙中大量存在，然后衰变。 在CP违规的情况下，这些衰变可能会产生观察到的物质-反物质不对称性。发现大量瘦蛋白CP违反将是开创性的。其观察，证据在一起称为轻子数数量已经违反了（即不 保守的），将提供leptogenesis的物质-反物质不平衡的起源强有力的间接证据LeptonicCP违规难以捉摸，但可以使用中微子进行搜索。这些基本粒子非常不愿与普通物质发 生相互作用，因此很难检测。它们是鲜为人知的粒子。尽管如此，它们无处不在：您的平均咖啡 杯中大约有100,000个渗透到宇宙中的“冷”中微子，并且是太阳产生的中子的许

4、多倍。中微子分为三种类型（风味），取决于它们的带电轻子，无论是电子，介子还是tau粒子。长期 以来，人们一直认为中微子是无质量的。但是，1998年的超级神冈实验10和2002年的萨德伯里 中微子观测站11发现了中微子振荡，证明这些粒子确实具有质量。中微子振荡是中微子在行进过程中从一种风味变为另一种风味的现象12。之所以会产生量子力学 效应，是因为每种中微子味道实际上都是质量不同的三个状态的混合体（量子叠加）。重要的是, 叠加状态会随着时间的变化而变化，因为各个分量的发展不同（图1）。例如，产生为纯子味 的中微子可以部分成为电子中微子。自发现，中微子振荡已在多次实验分析，但只是在过去几年 里，从

5、中微子到电子中微子被观察到微小的振动3 14。发生这种振荡的可能性很小，但它是 轻子CP违反的关键：如果CP对称性得以保持，则介子到电子中微子转换的振荡概率将与介子 到电子反中微子转换的振荡概率相同。T2K协作已经能够以前所未有的精度研究这些振荡， 并且观察到了轻子CP违反的可能证据。在T2K实验15中，在东海的日本质子加速器研究中心产生了中微子束。在这里，高度加速的质 子击中了密集的石墨靶，产生了大量的粒子，称为介子和钾。这些粒子衰减，产生中微子束（或 反中微子束，取决于所使用的条件），该中微子束由280米外的两个探测器监视。中微子随后不停地行进地球，但其中一些被295公里外的神冈天文台的地

6、下探测器探测到，位于 日本的池野山深处。该探测器由50,000吨超纯水组成，周围环绕着大量光传感器。当中微子与 水中的中子相互作用时，它会根据其味道而产生介子或电子。T2K实验检测出介子和电子，并 区分它们，从而确定了撞击中微子的味道，并测量了介子向电子中微子转换的振荡概率。T2K协作分析了 2009年至2018年之间以中微子和反中微子模式收集的数据。通过将其与其他中 微子振荡实验的输入相结合，研究人员已经弄清了转换概率对各种参数的依赖性，从而提供了违 反CP的证据。结果以95%的置信度排除了 CP守恒(也就是说，他们暗示发生了 CP违规)， 并且表明CP违规参数可能很大。这些结果可能是我们宇

7、宙中物质反物质不对称性起源的最初迹 象。不可否认，这项测量令人兴奋。但是，非同寻常的主张需要非同寻常的证据-要确定发生了轻度 CP违规，需耍超过99.9999%的置信度。这需要使用更强的光束，更大的检测器和更好理解的实 验功能来更精确地测量振荡概率。下一代大规模，多功能中微子实验正在为这一挑战做准备。在日本进行的T2HK实验16基于与 T2K相同的技术，但将使用Hyper-Kamiokande检测器，该检测器的水质量将是其十倍，光束强 度更大。Hyper-Kamiokande于今年2月获得了官方批准，并且施工即将开始。深地下中微子实 验17 (DUNE)将基于南达科他州利德市的桑福德实验室；其技术设计报告发表在二月18, l9Ho DUNE将使用不同的探测器技术，该技术由四个装有数千吨液态僦的模块组成，以探测在1300 公里以外的伊利诺伊州巴达维亚费米实验室产生的强烈中微子束。在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子 物理实验室CERN测试的较小原型证明了大型DUNE探测器的可行性。因此，T2HK和DUNE 提供互补的技术和度量。在未来15年内，他们可能会为我们寻求CP违规提供明确的答案。