中微子振荡实验——超出标准模型的实验检验（Ⅰ）

文章总结了中微子振荡实验在历史和现状,介绍了几个太阳中微子丢失实验的结果和几个大气μ中微子丢失实验结果,这些结果表明存在中微子振荡,即中微子具有质量,它是超出标准模型的信号,文章还介绍了21世纪初研究中微子振荡和若干重要实验,噬基线中微子振荡实验以及建造μ子贮存环来产生高能电子中微子束进行中微子振荡的实验以及测量中微子振荡时的CP破坏的设想。     

新物理的探索——非加速器粒子物理实验的进展

 近十年来,非加速器粒子物理实验的进展引人注目.实验设备规模宏大,建造费用猛增,实验运行周期变长.去年八月二日至八日在新加坡举行的第二十五届国际高能物理会议上,非加速器粒子物理实验及其有关理论的报告占相当大的比重,引起与会者的广泛兴趣.加速器产生的粒子束能量与亮度是可控的,粒子束种类、飞行方向和到达时间可由实验人员调节与控制.几十年来,这种粒子源实验手段在高能物理的飞速发展中起了巨大作用.但是,无论是粒子的能量还是粒子的种类,自然界存在的粒子源远比人工粒子源丰富多样.人们往往是在自然界找到了新粒子源,然后在加速器中产生它,并进行精密的测量.这样的例子是层出不穷的.例如,α、β与γ射线就是在天然放射源中找到的.正电子、μ介子和奇异粒子也是在宇宙线中首次发现的.     

中微子物理若干前沿问题

 在过去的几年间,大量的实验结果已经表明中微子有非零质量以及轻子味混合。这一进展为我们打开了一个全新的值得探索的基本粒子世界。关于中微子我们已经知道了多少,我们想要发现什么?本文将从理论与唯象的观点进行阐述。目前中微子物理的前沿问题主要包括:中微子真的发生味转化吗?有几代中微子?存在惰性中微子吗?中微子的质量是多少?中微子是马约拉纳粒子还是狄拉克粒子?轻子味混合矩阵的混合角有多大?轻子味混合矩阵包含CP破坏位相吗?如果包含,那么在中微子振荡和无中微子双β衰变中,这些位相会导致可探测的CP破坏效应吗?     

中微子质量和中微子振荡实验

本文介绍中微子质量测量的历史和现状。介绍太阳中微子丢失实验的结果和大气 μ中微子丢失实验结果。这些结果表明存在中微子振荡 ,即中微子具有质量。它是超出标准模型的信号。本文还介绍了 2 1世纪初研究中微子振荡的若干重要实验 ,例如长基线中微子振荡实验以及建造 μ子贮存环来产生高能电子中微子束进行中微子振荡的实验以及测量中微子振荡时的CP破坏的设想。     

中微子振荡实验—超出标准模型的实验检验（Ⅱ）

4　大气 μ中微子丢失和中微子振荡大气中的高能中微子是由于原初宇宙线中的高能质子在大气上部与大气中的原子核相互作用而产生Ｋ介子和π介子 ,Ｋ介子和π介子随后衰变 :Ｋ →μ νμ,　Ｋ- →μ- νμ;π →μ νμ,　π- →μ- νμ.μ子接着衰变 :μ → νμ ｅ νｅ,　μ- →νμ ｅ- νｅ,因此 ,大气中高能中微子的成分中 ,μ中微子的数量应该是电子中微子数量的两倍 .80年代初 ,探测大气中的高能中微子的装置有 :日本的Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ装置 ,美国的ＩＭＢ装置以及Ｓｏｕｄａｎ装置 .由于 μ子的质量约为电子质量的…     

中微子质量之探索

 中微子是自旋为1/2的轻子,有电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不同形态。由于中微子不带电,仅参与弱相互作用,不参与强相互作用和电磁相互作用,反应截面极小,所以很难在实验中观测到,对其质量的研究更是困难重重。探索中微子质量的意义中微子质量的研究对最微观的粒子物理规律和最宏观的天体物理、宇宙起源及演化都有重大意义,是探索粒子物理标准模型之外新物理的突破口与关键所在。在传统的粒子物理标准模型中,二分量中微子理论和轻子数守恒定律要求中微子静止质量为零。因为若中微子质量不为零,则根据爱因斯坦相对论,其速度必定低于光速,这样就会出现速度超过中微子的观察者。     

超高能中微子天文学实验现状

 中微子在粒子物理的标准模型中是一组很特殊的粒子，它们质量最轻（在标准模型中没有质量）因而几乎不受引力影响，不带电荷因而不受电磁相互作用的影响，只参与弱相互作用，但其寿命几乎是无穷长。如果中微子产生于遥远的高能天体，在到达地球的漫长传播过程中其路径不会被遍布宇宙的磁场所改变。中微子的这些特性使它与光子一起成为绝佳的天文学信息传播者，成为正在崛起的新兴中微子天文学学科发展的强劲原动力。与传统的光子天文学相比，中微子具有更加优越的特性，即不会与弥漫全宇宙的3K宇宙学背景光子发生作用，从而能够打开高于光子天文学所能工作的能量区域的观测窗口，譬如在高于10¹⁵电子伏特（记为PeV）的“超高能”区，探测中微子成为唯一的天文观测手段。 …………     

发现超新星遗迹中微子——中微子天文学的下一个里程碑

超新星对于研究恒星演化以及元素、中子星、黑洞与引力波的产生至关重要。观测超新星的手段有很多种,而中微子因具有与物质相互作用极其微弱的特性,为观测提供了一个不同的视角,尤其是对超新星内部的物理机制研究。探测银河系内超新星爆发中微子,因其每世纪几次的低爆发率而变得非常困难。相比之下,距离银河系较远的周边星系超新星总爆发率每十年超过一次。正在建设的大型中微子实验已经开始能够探测宇宙大爆炸至今,包括银河系附近星系在内的所有星系中超新星爆发累积形成的各向同性中微子背景,称为超新星遗迹中微子。如果实验能发现这些中微子,将是中微子天文学的一个里程碑。文章将介绍目前和未来相关实验的主要探测原理、实验挑战和展望。     

希格斯玻色子发现简史

希格斯玻色子于2012年的发现是粒子物理发展史上的一座里程碑。它为标准模型补上了最后一块拼图,希格斯机制的提出者们也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。在希格斯玻色子发现十周年之际,文章将带领读者简短回顾希格斯玻色子从提出到发现的近半个世纪的历史。     

希格斯粒子性质测量

2012年大型强子对撞机上的ATLAS和CMS实验发现希格斯粒子,这是粒子物理发展的一个里程碑。这一重大发现揭示了基本粒子质量的起源,极大地深化了人类对于物质世界的认知。希格斯粒子发现之后,测量希格斯粒子的性质是检验粒子物理标准模型并寻找新物理的重要途径。文章从质量、自旋、宇称和耦合等方面介绍希格斯粒子的性质测量。     

大亚湾中微子实验——小中见大

2012 年3 月以来, 许多媒体报道了大亚湾中微子实验取得重大突破的消息, 国内外主要的科学杂志也都作了报道或评论。这是我国科学家在本土做出的一项重要工作。通过下面的介绍, 大家或许可以从中看到, 小小的中微子对物理学、天文学和宇宙学具有重大意义。     

封面照片说明

众所周知，科学家们首选的粒子物理标准模型为：所有物质是由6种夸克——上、下、奇异、粲、顶和底夸克——及比夸克轻得多的粒子，如电子和中微子等构成的。这些粒子的存在已被令人信服的证据所证实。但该模型还需要宇宙中存在有希格斯玻色子（Higgs Boson），希格斯粒子表现为引力，它在某些粒子周围很密集，而在另一些粒子附近则很少。正是这种聚集的密度赋予粒子以质量，因此，夸克很重，电子很轻，而光子则根本没有重量。     

探寻和发现——见证希格斯粒子或极类似物

进一步的工作将证明它到底是标准模型的最后一个粒子还是新物理的踪迹．大约50年前,三篇几乎同时独立发表的文章奠定了以后将被称为希格斯机制的理论基础．在粒子物理的标准模型中,要求存在一个标量场,它激发出一个自旋为零的粒子,此标量场与其他基本粒子相互作用而赋予它们以质量．希格斯玻色子是标准模型所预言然而最后尚未被发现的粒子．     

CEPC上的物理和探测器

经过近半个世纪的寻找,2012年,物理学家在欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯玻色子（Higgs Boson）,补全了粒子物理标准模型粒子谱的最后一块拼图（图1）。粒子物理标准模型是人类迄今为止构建的最为成功的物理模型之一,它以简洁优美的数学形式和令人惊叹的精确水平预言和诠释了几乎所有在对撞机实验中观测到的现象①（图2）。自20世纪后半叶起,粒子物理发展的主旋律就是标准模型的建立和验证;希格斯玻色子的发现无疑把标准模型的成功推向了高潮。     

破解太阳中微子失踪之谜

 2001至2003这3年时间里,太阳中微子的研究进入了一个黄金时期。在这个时期中,一个困扰了物理学家40年的难题被漂亮地解决了。这个难题的解决对于物理学和天文学来说都非常重要。本文将简要回顾3年来关于太阳中微子研究的惊人进展。太阳中微子的产生20世纪上半叶,物理学家们普遍相信太阳发光图1太阳内部的典型核聚变反应是由于其内部不断发生从氢到氦的核聚变反应。根据这一理论,在太阳内部每4个氢核(即质子)转化成1个氦核(4He)、2个正电子(e+)和2个神秘的中微子(νe),见图1所示。     

太阳中微子失踪案和中微子振荡

 《科技日报》公布的2000年国际十大科技新闻的第5条“中微子质量已成定论”报道说:“2000年6月17日,在加拿大卡尔加里召开的国际中微子科学会议上,日本和美国的科学家小组发表论文,阐述了太阳中微子有质量的理论和实验报告,受到会议的肯定,结束了中微子有无质量的长期争论。7月17日,美、日、韩3国科学家发表最新实验结果,确认中微子有质量的概率达95%”。中微子有质量意味着什么?为了使读者了解它,本文首先介绍著名的“太阳中微子失踪案”,然后进一步介绍与中微子质量问题密切相关的“中微子振荡”问题。     

非加速器实验物理的复兴

 非加速器实验,顾名思义,包括所有不使用加速器手段进行的粒子物理实验。如果从1912年发现宇宙线算起,它的历史已相当长久,加速器出现以前,宇宙线实验有过一段辉煌时期,在30年代发现了正电子和μ子,在40年代发现了π介子和K介子,对粒子物理学的建立与发展作出了重大贡献。50年代出现加速器以后,使用高流强人工束流的加速器实验成为粒子物理实验研究的主流,有力地推动着粒子物理的迅速发展,而“靠天吃饭”、流强极低的宇宙线实验仅在加速器当时达不到的“超高”能区起补充作用。但应指出,70年代初著名的大型³⁷Cl太阳中微子地下实验不仅获得重要物理发现,而且在实验方向与技术上作出了有意义的探索,堪称后来新一代非加速器实验的先驱。     

无中微子双贝塔衰变：新物理探索和宇宙学观测

近二十多年来,太阳、大气、反应堆和加速器的中微子振荡实验提供了大量确凿的证据表明中微子有质量。然而,粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零。这意味着中微子质量的产生必然要求引入超出标准模型的新物理。文章将介绍无中微子双贝塔衰变对新物理探索和宇宙学观测的重要影响,尤其是该稀有衰变过程的实验观测在突破粒子物理学和宇宙学标准模型的前沿研究中扮演的独一无二的角色。     

β衰变的历史概述

β衰变的研究是一个探究物质深层物理原理的过程.它始于β放射性的研究,引导人类对物质的认识开始从原子深入到原子核内部.其能谱的测量,导致了泡利的中微子假设.在此基础上,费米第一次提出了关于β衰变的唯象理论并提出了弱相互作用的概念.此后发展出弱相互作用的中间玻色子理论,使得人类对物质的认识深入到核子内部,促进了电弱统一理论的发展,最终促成了标准模型的完成.文章回顾了β衰变这一横亘整个20世纪的重要物理学事件,对β衰变的研究历史中的关键事件进行了分析和介绍,对理解现代物理学中的标准模型的建立和发展有重要意义.