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超级神冈:想的是A，看到的是B，做的是C
2015年诺贝尔物理奖颁给日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·麦克唐纳，表彰他们发现中微子振荡现象，证实中微子有质量。它改变了我们对物质世界最基本规律的认识。
A：想找质子衰变
梶田隆章发现大气中微子振荡的实验起初并不是用来寻找中微子振荡的。
七十年代末，两个实验项目被提出来寻找质子衰变，一个是小柴昌俊领导的日本神冈实验，另一个是雷因斯（1995年诺奖得主，1956年发现中微子）领导的美国IMB实验。在粒子物理标准模型中，质子是稳定的。假如存在比标准模型更基本的大统一理论，质子就会衰变。
神冈实验的探测器采用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管，位于岐阜县一个地下1000米的废弃砷矿中。在能量测量要求不高时，水是非常棒的探测介质，又便宜又好，因此挖坑灌水是中微子实验的标配。质子衰变即使有，也是极其稀少的，必须非常干净地去掉各种假信号，我们称之为本底事例。到地下1000米，宇宙射线被岩石吸收，降低了10万倍。实验1982年开始建设，1983年建成。
神冈实验没有找到质子衰变，确定质子的寿命大于1033年。
发现大气中微子反常
但是，在寻找质子衰变的过程中发现了奇怪的现象。上面说到的宇宙射线，指的是真正来自太空的原初宇宙射线在地球大气层中产生的缪子。伴随着缪子也会产生大量的中微子，称为大气中微子，包括电子中微子、缪中微子以及他们的反粒子。大气中微子也会在探测器中产生信号，因此研究质子衰变时，需要准确地估算大气中会产生多少中微子，然后把这些信号扣掉。1988年，小柴昌俊的学生，29岁的梶田隆章在分析数据时发现，测到的缪中微子比预期的少，被称为“大气中微子反常”。
中微子本身不能被探测，也不会留下任何信号，但它偶尔会与水中的原子核发生反应，从而留下踪迹。反应产物中最有特征的是电子和缪子。电子中微子会产生电子，缪中微子会产生缪子。高能带电粒子在水中飞行，速度超过水中的光速时，会产生切伦科夫光，被光电倍增管探测到。在水中，切伦科夫光发射的角度与粒子前进方向大约为42度，因此一个粒子会在其前进方向上形成一个光环。较重的缪子形成边缘清晰的环，较轻的电子受周围电子的散射，形成边缘散乱的环。这样我们能知道是电子中微子还是缪中微子来了。
图注:超级神冈实验一个真实的切伦科夫光环。
预测大气中产生多少中微子，需要模拟原初宇宙线的碰撞过程，非常复杂，因此不太准确（现在精度为10%-30%），梶田隆章采用缪中微子与电子中微子的比值，发现也是减少的，但消掉了一部分误差，预测精度提高了2-3倍。
同样的测量结果也在美国IMB实验看到了。当时很自然就想到是不是中微子振荡？但是没有最终的定论，原因有三。首先是预测大气中微子的产额比较复杂，有可能会出问题。其次是理论家们不相信。要用中微子振荡解释大气中微子反常，需要中微子的混合是最大值，这与我们在夸克中发现的三个小混合角很不一样。第三，出现了两个猪队友。与神冈和IMB实验同时进行的，还有精度差一点的法国和意大利的两个实验，FREJUS和NUSEX，他俩说没减少。
非凡的发现需要非凡的证据。不管怎么样，这样单薄的证据不足以让人改变看法，去相信中微子有质量。
图注：1980年代日本神冈实验（Kamioka）、美国IMB实验、法国FREJUS实验、意大利NUSEX实验，以及1990年代美国SOUDAN实验、日本超级神冈实验（SuperK）对大气中微子反常的测量。测量值用缪中微子/电子中微子，实验数据/模拟数据的双比值来表示，尽量消掉不确定因素。R’=1表示测量值与预期值一样，缪中微子相对于电子中微子没有减少。
B：探测到超新星中微子
如果不是大自然的慷慨，大气中微子反常之谜也许还要延续很久，因为中微子太难探测，更准确的实验需要大笔的经费投入。就在小柴昌俊退休前不久，银河系的小兄弟大麦哲伦云内有一颗恒星走到了生命的终点，它的临终挣扎就是超新星爆发——SN1987A（实际上光传到地球上需要16.8万年）。它的光芒盖过了整个星系，肉眼就可见到。这是400年来观测到的最明亮的超新星。神冈实验观测到了11个它发出的中微子，IMB观测到了8个，还有一个俄国实验看到了5个。更让人觉得碰巧的是，这两个实验为了增加科学目标，都对探测器进行了一次升级，以探测能量较低的太阳中微子。IMB更是刚刚完成升级几个月。如果不升级，由于超新星中微子能量低，他们是看不到的。超新星在宇宙演化中非常重要。一般相信，它的爆发需要中微子来助力，准确点说叫“中微子驱动的延迟爆发三阶段机制”。观测到这24个超新星中微子，不足以证明这个机制是正确的，但证实了超新星爆发确实会产生极其多的中微子。小柴昌俊因“观测到来自宇宙的中微子”获得了2002年诺贝尔奖。
C：发现中微子振荡
因为这个成果，日本政府同意小柴昌俊整个大家伙。超级神冈探测器于1991年开始建造，1996年完成。实验原理完全一样，只是采用了5万吨纯净水，13000个光电倍增管。直到今天，这样的规模仍然是让人震憾的。超级神冈的科学目标包括太阳中微子、大气中微子、质子衰变等，后来还用做加速器中微子实验T2K的远端探测器，是国际中微子研究当之无愧的旗舰装置。
图注：超级神冈探测器内部。墙壁上为光电倍增管，每个直径半米。工作人员划着小船检修探测器。
1998年6月的日本高山市，在发现“大气中微子反常”现象10年后，梶田隆章代表超级神冈在“国际中微子大会”上报告，以确凿的证据发现了大气中微子振荡。从3000吨到5万吨，扣掉发生在探测器边缘，质量不太好的事例，实际数据量增加了不止20倍。现在不仅能够测量缪中微子的丢失，也有足够的数据显示它的丢失比例随飞行距离的变化，而这是中微子振荡的关键特征。
图注：左图为电子中微子（黑点）与无振荡预期值（兰框）、有振荡预期值（红线）随天顶角变化关系的比较。右图为缪中微子。数据表明电子中微子没有变化，缪中微子丢失了，其随距离的关系符合中微子振荡预言。
数据表明电子中微子没有变化，缪中微子丢失了，其随距离的关系符合中微子振荡预言。图中天顶角等于1相当于中微子从探测器上方来，等于-1相当于中微子从地底下来。大气中微子在地表大气层中产生，不同的天顶角对应中微子穿过地球的不同距离。
为什么电子中微子不振荡呢？实际上也是振荡的，只是很小。大亚湾实验测得其最大振荡几率为0.09，而缪中微子的最大振荡可达到1，即可以全部转变成其它中微子（主要是陶中微子）。
其实，不管缪中微子的丢失是否是因为中微子振荡，只要看到右图，中微子丢失的几率与距离相关，就能断定中微子有质量。对无质量的粒子，它一定以光速运动，根据相对论，它的内部时钟是静止的，性质不会发生变化。
因为发现中微子振荡，梶田隆章与小柴昌俊、户冢洋二获得2002年潘诺夫斯基实验粒子物理学奖。同年，小柴因探测超新星中微子获诺贝尔奖，户冢洋二则不幸于2008年去世，否则应与梶田分享2015年诺贝尔奖。
中微子振荡改变了什么？
物质世界最基本的规律由粒子物理“标准模型”描述。但它并不仅是一个“模型”，而是由无数实验证实的、内部统一的理论体系，具有优美的对称性。它包括12种基本粒子，3种相互作用（4种相互作用中的引力未能包括进来），以及2012年发现的生成质量的希格斯粒子。建立标准模型的实验和理论研究工作先后被授予了18次诺贝尔奖。但中微子振荡第一次，也是唯一的一次，以确凿的证据证明，标准模型需要进一步发展。
在标准模型中，中微子是没有质量的。李政道和杨振宁提出宇称不守恒，吴健雄以实验证实。实验也发现，宇称不仅不守恒，而且是最大破坏的，原因是不存在右旋中微子，只有左旋中微子，因此涉及中微子的反应，其左右镜像过程不能发生。如果中微子有质量，速度就肯定低于光速，在某些情况下左旋就可以变成右旋，而实验上从来没有发现这种情况。因此，标准模型内中微子无质量不是毫无根据的假定，而是有实验依据的。
中微子振荡间接地说明它有微小的质量。但它是如此之小，以至于迄今还没有测出来，也还没有找到右旋中微子，没有测出它的速度与光速的区别，有很多实验仍在努力。取决于中微子质量的生成机制是否与其它基本粒子一样，标准模型有可能只需要一个简单地修改，也有可能打开一片新空间。
【中微子振荡介绍参见：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=296183&do=blog&id=625550】
中微子质量对宇宙起源与演化有重要影响。宇宙诞生的第一秒就产生了大量的中微子，它们存留到现在，在整个宇宙空间内为每立方厘米330个。中微子质量影响宇宙大尺度结构的形成。目前中微子质量的上限不是来自粒子物理实验，而是宇宙学观测，为小于0.3电子伏。宇宙诞生时，正反物质成对产生，是一样多的。但现在我们的宇宙几乎找不到反物质的踪影，被称为“反物质消失之谜”。中微子有质量就会有混合，三种中微子混合会出现CP破坏现象，导致正反物质的行为不对称。是不是中微子振荡导致了反物质的消失，是宇宙起源必须解决的关键问题。
重建超级神冈
超级神冈自1996年开始，一直运行到现在。2001年发生了一件让人印象深刻的事。在检修后重新注水的过程中，一个光电倍增管爆了。光电倍增管是电真空器件，水涌入真空后反弹，形成激波。在激波的冲击下，出现了连锁反应，6000个光电倍增管相继爆裂，每个价值3000美元。整个中微子界都惊呆了。每个类似的实验都开始研究，这样的灾难会不会发生在自己身上。没过多久，日本人就宣布将重建超级神冈实验。在以重新排列的一半光电倍增管运行了4年后，启动了重建工作，并在2006年完成。
超级神冈后来在大气中微子、太阳中微子上做出了很多重要工作。质子衰变的寿命下限提高了一个量级，达到了1034年。它也是世界首个加速器中微子实验（K2K）的探测器，和首次发现新中微子出现的实验（T2K）的探测器。
在江门中微子实验建成以前，超级神冈还是唯一一个有望确定超新星爆发机制的中微子观测台，假如再赶上一个近距离超新星的话。其它探测器都太小或对低能中微子不灵敏。
超超级神冈
大亚湾中微子实验发现大的theta13混合角，为测量中微子质量顺序和CP破坏打开了大门。但已有的实验都还不够灵敏，有多个新实验被批准或正在申请中，包括中国采用2万吨液闪探测器的江门实验（已批准），美国采用1-4万吨液氩探测器的加速器实验（已批准），印度采用5万吨铁的INO实验（已批准），韩国1.8万吨液闪实验，美国在南极的PINGU实验，法国在地中海的ORCA实验，当然也少不了日本——100万吨纯净水的超超级神冈实验（Hyper-Kamiokande）。
超超级神冈计划今年向政府提交申请，2025年建成，可以通过大气中微子测量中微子质量顺序，可以将质子衰变的寿命下限再提高一个量级，在测量CP破坏、探测超新星中微子、超新星背景中微子上，它也具有显著的优势。上个月我问一个日本理论家怎么看超超级神冈的项目前景，他说日本政府在直线对撞机和超超级神冈上举棋不定，“他们关心能不能再带来一个诺贝尔奖”。
在2015年诺贝尔奖的推动下，江门中微子实验也许又要再多一个巨无霸的竞争对手。
[1] K. S. Hirata, T. Kajita, M. Koshiba et al.,“Experimental study of the atmospheric neutrino flux,”
Phys. Lett.B,205,416(1988)
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