1中微子與散裂中子源

20 世紀(jì)以來， 在全世界物理學(xué)家孜孜不倦地研究下,，中微子物理和實(shí)驗(yàn)研究不斷取得進(jìn)步,，共有4 次重大研究進(jìn)展斬獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1930 年,，奧地利物理學(xué)家泡利（W. Pauli ）為解釋貝塔衰變中能量似乎不守恒,，提出了中微子的概念，開創(chuàng)了中微子物理學(xué),。1956 年,，美國物理學(xué)家萊因斯（F.Reines） 和柯溫（C. Cowan ）在反應(yīng)堆中第一次探測到電子中微子，萊因斯因此獲得1995 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

1962年,，美國物理學(xué)家萊德曼（L. Lederman ）和施瓦茨（M. Schwartz）等人在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室利用加速器第一次探測到繆中微子，這是人類第一次利用加速器中微子束,，萊德曼和施瓦茨因此獲得1988 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

1987年，日本神岡探測器和美國IMB 探測器第一次在地球上探測到超新星中微子,，開創(chuàng)了中微子天體物理學(xué),，神岡實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人小柴昌俊

（M. Koshiba）因此獲得2002 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1989年，歐洲核子研究中心證實(shí)存在且只存在三種中微子,。1998 年,，日本超級神岡探測器利用大氣中微子發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象，證實(shí)中微子具有微小質(zhì)量,，超級神岡實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人梶田隆章（K. Takaaki ）因此獲得2015 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

2000 年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的DOUNT實(shí)驗(yàn)第一次探測到陶中微子?，F(xiàn)代中微子物理學(xué)研究表明：中微子可分為三種不同味,；它們具有微小質(zhì)量，幾乎不受引力影響,；不帶電荷,，不受電磁相互作用的影響；只參與弱相互作用,。與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的不同,，中微子具有微小質(zhì)量，這是人們目前找到的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外新物理的重要證據(jù),，為粒子物理研究注入了新的活力,，進(jìn)一步激發(fā)人們尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理，建立更加完善的粒子物理統(tǒng)一模型,。

當(dāng)一個(gè)中等能量的質(zhì)子打到重核后會(huì)導(dǎo)致重核不穩(wěn)定而分裂出大量中子,，這樣重核會(huì)裂開并向各個(gè)方向發(fā)散相同數(shù)量的中子，大大提高了中子的產(chǎn)生效率,，按照這種原理工作的裝置稱為散裂中子源,，圖1 描述了散裂中子源的工作機(jī)制。自20世紀(jì)80 年代以來,，散裂中子源成為國際上一個(gè)重要發(fā)展方向。與電子,、X射線,、激光相比，中子作為“探針”具有高穿透性,，對氫,、碳、氦等敏感,，帶磁矩,、自旋等優(yōu)點(diǎn)。

與反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子相比,，散裂源中子束具有脈沖性,、高分辨、低本底和能量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是生命科學(xué),、材料科學(xué)和核物理等諸多學(xué)科研究的平臺(tái),。它與同步輻射裝置互相補(bǔ)充，并為質(zhì)子治癌,、潔凈能源等應(yīng)用提供技術(shù)支持,。在國際上，美國,、歐洲,、日本等國都在競相發(fā)展高通量的新一代散裂中子源，我國科學(xué)家也正在建造中國散裂中子源,。

圖1 散裂中子機(jī)制

散裂中子源在中微子領(lǐng)域的應(yīng)用始于20 世紀(jì)后期,。20世紀(jì)70 年代初，美國洛斯·阿拉莫夫國家實(shí)驗(yàn)室的LAMPF強(qiáng)流質(zhì)子加速器,，是世界上第一臺(tái)散裂中子源,。20 世紀(jì)80 至90 年代，美國科學(xué)家建立大型中微子探測器LSND,，用于探測散裂中子源LAMPF產(chǎn)生的加速器中微子,。1985 年，英國盧瑟福國家實(shí)驗(yàn)室建立ISIS 環(huán)形加速器,，這是迄今為止世界上運(yùn)行時(shí)間最長的散裂中子源,。隨后，英國KARMEN 實(shí)驗(yàn)組建立大型中微子探測器,，用于探測散裂中子源ISIS 產(chǎn)生的加速器中微子,。這兩個(gè)短基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)在中微子振蕩研究和中微子散射截面測量方面做出很多重要的貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21 世紀(jì),，伴隨美國散裂中子源（SNS）,、日本散裂中子源（J-PARC ）的建成和中國散裂中子源（CSNS） 、歐洲散裂中子源（ESS）的開建,，散裂中子源日益成為加速器中微子研究的重要平臺(tái),。2010 年，基于日本散裂中子源的長基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)T2K 建成并開始運(yùn)行,，迄今已經(jīng)取得很多重要的研究成果,。同時(shí)，基于美國散裂中子源,、中國散裂中子源,、歐洲散裂中子源的中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙蔡幱谠O(shè)計(jì)過程中，將來有望為中微子物理研究提供更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。

2散裂中子源上短基線加速器中微子研究

當(dāng)散裂中子源的中能質(zhì)子打到散裂靶后,，重核不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生大量中子,。在這過程中，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量正反π 介子,。由于多種原因,，大部分的反π介子會(huì)被散裂靶吸收，而正π 介子則會(huì)衰變?yōu)檎娮雍涂娭形⒆?。隨后,，正繆子會(huì)繼續(xù)衰變?yōu)檎娮印㈦娮又形⒆雍头纯娭形⒆?。因而,，在散裂中子源質(zhì)子打靶過程中會(huì)產(chǎn)生三種中微子，分別為電子中微子,、正繆中微子,、反繆中微子。圖2 描述了散裂中子源中微子產(chǎn)生機(jī)制,。

圖2 散裂中子源中微子產(chǎn)生機(jī)制

將探測器放置在距離加速器中微子源很近的地方,，通常間隔只有幾十米到幾百米，用于研究中微子與物質(zhì)的相互作用,，這種短距離的中微子實(shí)驗(yàn)稱為短基線加速器中微子實(shí)驗(yàn),，而中微子源到探測器之間的距離稱為基線。21 世紀(jì)以前的散裂中子源中微子實(shí)驗(yàn)一般都是短基線加速器中微子實(shí)驗(yàn),，主要包括美國LSND 實(shí)驗(yàn)和英國KARMEN 實(shí)驗(yàn),。

美國的LAMPF加速器建設(shè)完成于20 世紀(jì)70 年代，其引出束流功率為56千瓦,，重復(fù)頻率可調(diào)節(jié)為120 赫茲,，引出質(zhì)子束的平均能量為798 兆電子伏， 產(chǎn)生的電子中微子平均能量大約為37 兆電子伏,。探測器LSND 的介質(zhì)為167噸礦物油,，放置于離中微子源30 米處。這個(gè)加速器中微子實(shí)驗(yàn)主要用于研究中微子振蕩和測量中微子散射截面,。圖3 給出了LSND探測中微子信號的過程,。1995 年，LSND 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能存在第四種類型中微子——惰性中微子,，這提供了研究更多種類中微子的重要線索。

圖3 LSND 探測中微子信號過程

英國的ISIS 加速器建設(shè)完成于1985年,，其引出束流功率為160 千瓦,，重復(fù)頻率為50 赫茲，引出質(zhì)子束的平均能量為800兆電子伏,，產(chǎn)生的電子中微子平均能量大約為37 兆電子伏,。KARMEN實(shí)驗(yàn)探測器介質(zhì)為56 噸液閃（75% 石蠟油和25%三甲基苯）,， 放置于離中微子源17.7 米處。該中微子實(shí)驗(yàn)也主要用于研究中微子振蕩和測量中微子散射截面,。

圖4 給出了KARMEN實(shí)驗(yàn)探測器示意圖,。20 世紀(jì)90 年代，KARMEN實(shí)驗(yàn)在反貝塔衰變,、中微子-電子散射,、中微子-碳反應(yīng)以及中微子與其他粒子散射的散射截面測量方面開展了很多重要工作，也取得不少重要研究進(jìn)展,。LSND 發(fā)現(xiàn)惰性中微子線索之后,，KARMEN實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了相應(yīng)的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定能量范圍內(nèi)與LSND 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是兼容的,。

圖4 KARMEN 探測器示意圖

總體而言,，過去基于散裂中子源的短基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)在中微子振蕩研究和中微子散射截面測量方面取得很多重要進(jìn)展。雖然未來的散裂中子源短基線中微子實(shí)驗(yàn)與目前國際上其他類型中微子實(shí)驗(yàn)相比,，在測量中微子混合參量研究方面或許沒有顯著優(yōu)勢,，但是用于測量中微子散射截面還是比較合適的，可能得到很多有意義的結(jié)果,。

3散裂中子源上長基線加速器中微子研究

長基線中微子實(shí)驗(yàn)是指從中微子源到探測器之間的距離比較長,，一般為幾百千米甚至幾千千米的中微子實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入21 世紀(jì)之后,，散裂中子源開始應(yīng)用于長基線中微子實(shí)驗(yàn),，主要代表有日本的T2K 實(shí)驗(yàn)。

日本散裂中子源建設(shè)完成于2009 年,，目前其主環(huán)的引出質(zhì)子束流能量為3 萬兆電子伏,，引出功率為240千瓦，重復(fù)頻率為0.3 赫茲,，產(chǎn)生的電子中微子平均能量約為700 兆電子伏,。日本散裂中子源遠(yuǎn)點(diǎn)中微子探測器為超級神岡探測器，其介質(zhì)為5 萬噸純凈水,，距離日本散裂中子源為295 千米,。圖5給出了T2K 實(shí)驗(yàn)示意圖，圖6 給出了超級神岡探測器示意圖,。

基于日本散裂中子源和超級神岡探測器的新一代長基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)T2K 于2010 年開始運(yùn)行取數(shù),。2011 年3 月日本發(fā)生大地震，其加速器被損壞,，T2K 實(shí)驗(yàn)被迫暫停,。2011 年7 月，T2K 根據(jù)已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)公布了首次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，繆中微子很可能振蕩到電子中微子,，即1-3 混合角不為零,，置信度為2.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。2014 年,，T2K 將自己的繆中微子到電子中微子振蕩的數(shù)據(jù)與反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)測量電子中微子消失的結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析,，結(jié)果暗示描述輕子宇稱-電荷共軛破壞的相角在270°附近。

圖5 日本T2K 實(shí)驗(yàn)

圖6 超級神岡探測器

根據(jù)日本T2K 實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行情況和取得的成果可知,，基于散裂中子源的大型長基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)應(yīng)用前景十分廣闊,。相比于其他類型中微子實(shí)驗(yàn)，散裂中子源長基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)在研究中微子振蕩和測量中微子混合參量方面具有比較大的優(yōu)勢,，有可能得到很多重要研究成果,。

4散裂中子源上超新星中微子探測

II 類超新星爆發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的各種不同味的中微子和反中微子，最終會(huì)形成中子星或者黑洞,。這種類型超新星爆發(fā)過程中產(chǎn)生的能量幾乎就是內(nèi)核的總引力能,，其中產(chǎn)生的中微子帶走大約其總能量的99%，而超新星爆發(fā)消耗的能量大約只有1%,。當(dāng)中微子在超新星內(nèi)核產(chǎn)生以后,，需要經(jīng)歷與超新星物質(zhì)的各種相互作用，才能傳播到超新星表面,。在這一過程中,，中微子主要經(jīng)歷三種效應(yīng)：中微子集體效應(yīng)、米赫耶夫-斯米爾諾夫-沃芬斯坦（MSW）效應(yīng),、超新星震蕩效應(yīng),，造成不同味中微子相互轉(zhuǎn)換。

中微子逃離超新星束縛之后,，需要經(jīng)歷漫長宇宙空間傳播才能到達(dá)地球表面,。由于宇宙空間近似于真空，而且中微子不帶電荷,，其路徑不受遍布宇宙的磁場影響,，因而這段漫長宇宙空間傳播幾乎不會(huì)改變中微子的狀態(tài)。但是,，在中微子從地球表面到達(dá)探測器這段傳播過程中,，中微子與地球的物質(zhì)之間會(huì)發(fā)生相互作用， 從而受到地球物質(zhì)效應(yīng)的影響,。

總體而言,，中微子從產(chǎn)生到逃離超新星，再經(jīng)過漫長宇宙空間距離的傳播,，到達(dá)地球被探測到的過程中,，會(huì)受到各種中微子效應(yīng)的影響。在這一過程中,，雖然中微子的總粒子數(shù)保持不變,，但是不同味中微子會(huì)相互轉(zhuǎn)換。

通過比較超新星中微子能譜和散裂中子源加速器中微子能譜,，可以發(fā)現(xiàn)這兩者能譜范圍很接近,，因而利用散裂中子源加速器中微子實(shí)驗(yàn)裝置可以探測超新星中微子，圖7 給出了中國散裂中子源加速器中微子能譜和超新星中微子能譜的比較,。當(dāng)前正在設(shè)計(jì)的散裂中子源加速器中微子實(shí)驗(yàn)一般會(huì)同時(shí)兼顧加速器中微子和超新星中微子探測,。

圖7 CSNS 加速器中微子能譜與超新星中微子能譜比較

根據(jù)散裂中子源探測器介質(zhì)的材料，可以利用不同的反應(yīng)通道來探測超新星中微子,。常見的反應(yīng)通道有： 反貝塔衰變,、中微子-電子散射、中微子-氘反應(yīng),、中微子-碳反應(yīng),、中微子-氧反應(yīng)等。對于這些反應(yīng)通道進(jìn)行詳細(xì)研究,，可以給出其探測超新星中微子的具體方法,。同時(shí)，在超新星中微子探測過程中會(huì)受到各種本底的影響,，包括散裂中子源加速器中微子本底,、大氣中微子本底、太陽中微子本底,、反應(yīng)堆中微子本底,、超新星遺跡中微子本底等。但是,，由于超新星爆發(fā)產(chǎn)生中微子過程很短（大約20 秒）,，能譜范圍比較窄，通過計(jì)算可以得到上面提到的各種本底對超新星中微子探測影響很小,。最后,，不同反應(yīng)通道的探測效率不同，這也會(huì)對超新星中微子探測產(chǎn)生影響,。

總之,，根據(jù)超新星中微子研究理論，考慮超新星中微子在產(chǎn)生,、傳播,、探測過程中受到的各種效應(yīng)的影響，并結(jié)合探測器各方面情況,，可以計(jì)算出利用散裂中子源加速器中微子探測器不同反應(yīng)通道所能探測到的不同味超新星中微子事例數(shù),，進(jìn)而通過比較不同味中微子的事例數(shù)變化，得到一些中微子混合參量和超新星爆發(fā)的信息,。

5中國散裂中子源的中微子研究

中國散裂中子源是我國正在建設(shè)的,、用于中子散射研究的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái),。其利用中能質(zhì)子轟擊鎢靶產(chǎn)生大量的散射中子，進(jìn)而開展前沿學(xué)科和高新技術(shù)方面的研究,。

中國散裂中子源主要包括一個(gè)80 兆電子伏的直線注入器,、一個(gè)1.6千兆電子伏的快循環(huán)同步加速器、一個(gè)中子靶站和多個(gè)中子譜儀,。其引出的質(zhì)子束能量為1.6 千兆電子伏,，引出功率為100千瓦（二期工程將提高到500 千瓦），重復(fù)頻率為25 赫茲,。圖8給出了中國散裂中子源示意圖,。

中國散裂中子源建成后將成為發(fā)展中國家的第一臺(tái)散裂中子源，并進(jìn)入世界四大散裂中子源之列,。它目前正處于建設(shè)階段,，將于2018 年3 月建設(shè)完成并接受國家驗(yàn)收。

圖8 中國散裂中子源示意圖

中國散裂中子源高通量質(zhì)子打靶產(chǎn)生中子過程中,，會(huì)附帶產(chǎn)生大量加速器中微子,，其不同味中微子能量大約在30 至60 兆電子伏范圍。目前已經(jīng)有一部分物理學(xué)工作者提出在中國散裂中子源附近建立中微子探測器,，并初步設(shè)計(jì)探測器的結(jié)構(gòu)和探測介質(zhì),，用于探測中國散裂中子源產(chǎn)生的加速器中微子。

根據(jù)探測器介質(zhì)的材料,，選擇用于探測不同味中微子的反應(yīng)通道,。利用蒙特卡羅模擬和數(shù)值計(jì)算方法，可以初步估算探測器放置在不同位置時(shí)不同反應(yīng)通道所能探測到的各種不同味中微子的事例數(shù),。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,、分析和比較，可以得到：雖然中國散裂中子源短基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)要在目前國際上其他類型中微子實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上更加精確地測量中微子混合參量有點(diǎn)困難,，但是該實(shí)驗(yàn)用來測量中微子散射截面較為合適,，可以得到很多有意義的研究成果。

由于中國散裂中子源加速器中微子和超新星中微子能譜范圍很接近,，因而可以利用其加速器中微子實(shí)驗(yàn)裝置探測超新星中微子,。根據(jù)探測器介質(zhì)的材料，選擇用于探測不同味超新星中微子的反應(yīng)通道,。對這些反應(yīng)通道進(jìn)行詳細(xì)研究,，可以給出其探測超新星中微子的具體方法。同時(shí),，由于超新星爆發(fā)產(chǎn)生中微子過程很短（大約20 秒） ,，能譜范圍比較窄，通過計(jì)算可以得到中國散裂中子源超新星中微子探測的各種本底都很小。

根據(jù)超新星中微子的研究理論,，考慮超新星中微子在產(chǎn)生,、傳播、探測過程中受到各種效應(yīng)的影響,，結(jié)合探測器實(shí)際情況,，經(jīng)過詳細(xì)數(shù)值計(jì)算可以得到利用中國散裂中子源加速器中微子實(shí)驗(yàn)裝置的不同反應(yīng)通道所能探測到的不同味超新星中微子事例數(shù)。對數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行整理,、分析和比較，可以發(fā)現(xiàn)通過比較不同味中微子的事例數(shù)變化,，有可能得到一些中微子混合參量和超新星爆發(fā)的信息,。

6總結(jié)和展望

目前中微子物理已成為高能物理、天體物理與宇宙學(xué)研究的共同熱點(diǎn),。利用粒子加速器提供中微子束流是中微子實(shí)驗(yàn)研究的重要手段之一,。加速器中微子為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立和完善做出了重要貢獻(xiàn)，更為研究中微子的性質(zhì)和中微子振蕩提供了強(qiáng)大支持,。

中國散裂中子源作為我國正在建設(shè)的重大基礎(chǔ)科學(xué)裝置,，將建成大型的質(zhì)子加速器，其質(zhì)子打靶為我們提供大量的加速器中微子,，這將為我國進(jìn)行第一個(gè)加速器中微子實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造難得機(jī)遇和提供良好平臺(tái),。基于中國散裂中子源的加速器中微子實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)兼顧加速器中微子和超新星中微子測量,，不僅可以加深對中微子振蕩和超新星天體物理的研究,，得到中微子混合參量和超新星結(jié)構(gòu)的信息，而且有利于我國加速器中微子研究追趕國際前沿,，為基礎(chǔ)物理學(xué)研究做出更大的貢獻(xiàn),。