中微子实验室承载物理的“未来使命”

中微子物理学在未来物理学的舞台占据了中央位置，神出鬼没的幽灵粒子粒子物理学下一个阶段研究的重点对象。近日，一个科学小组发布了一份颇有影响的科学报告，中微子研究将是未来科学研究的重点项目，粒子物理学的优先项目被简称为P5，科学小组在报告中呼吁，在未来的10年或更长的一段时间，联邦政府投入数十亿美元，启动国际科学合作的方式，尽早建成和运行P5项目。联邦政府的高能物理学咨询委员会接收并审议了报告，一旦科学小组的报告通过咨询委员会的评估，那么这份报告将成为政府的指导性文件，美国能源部和科学基金会将要注入主要的项目资金，为中微子物理研究提供经费的支持。

P5项目确立了中心内容，制定一个总额为15亿美元的国际合作科学计划，计划投入15亿美元，建成一个大型的长基线中微子实验室，伊利诺伊州的费米国家加速实验室将作为中微子实验室的总部。过去的两年，科学家已在费米实验室进行了中微子实验，积累了不少实验数据。科学小组在报告呼吁，在费米国家实验室建造一个强大的粒子加速器，通过大型加速器产生中微子和反中微子聚的焦束，正反中微子将轻易地穿越800英里长的地壳，直接移动到下一个中微子实验室，计划在南达科他州的桑德福建造一个地下探测实验室。用于检测中微子在传输过程中的特性，寻找中微子和反中微子特性不同的线索。

 长期以来，科学家遇到了一个难题，在我们可观测的宇宙中，物质和反物质的数量出现了不平衡，物质数量占了绝大多数，观测到的主要是普通物质和暗物质，发物质去向不明，“反物质都去哪儿了”成了物理学家最关注的问题之一。LHC将作为P5的实验样板，科学小组在报告中呼吁，联邦政府投入大约10亿美元的经费，项目建设周期拟定为10年，国际合作伙伴投入5亿美元。国际性技术和资金合作的长基线中微子实验室项目被称为LBNF，总体的项目规划与投资了100亿美元的欧洲大型强子对撞机十分相似，LHC位于法国和瑞士的边境，欧洲核子物理实验室负责大型机器的管理和运行。

 圣克鲁兹粒子物理研究所的物理学家史蒂文·里茨担任P5项目的主席，P5科学小组召集了20多位世界各地的物理学家，欧洲核子中心（CERN）的物理学家参入其中。费米实验室将成为中微子项目的总部，多个国家的科学机构协同配合，共同推动中微子科学项目的进展，国际科学的合作方式在LHC实验室取得了成功。除了研究中微子的特性，中微子物理学有广泛的粒子物理学的研究价值。科学家终于发现了神秘诡异的希格斯玻色子，这是LHC实验室取得的最大成果。LHC即将完成设施的维护和升级工程，持续承担检测希格斯粒子特性的进一步研究，LHC进行了设备升级，将会在暗物质、暗能量和宇宙膨胀等科学探索领域发挥更大的作用。

日本对主持建造国际线性对撞机（LLC）表现出了浓厚的兴趣，LLC被认为是LHC的重要补充，LLC的基本工作原理是实现电子和反电子束的对撞，经过正负电子的对撞，电子和正电子束的能量被加速到1万亿电子伏特。一旦日本的LLC实验室项目取得成功，那么美国科学家只能在其中扮演辅助和支持的角色。中微子将在未来物理学中扮演中心角色。日本大约从2018年开始实施LBNF项目，2020年左右达到项目建设的高峰期，欧洲原子能中心的LHC实验室处于缓慢的下降期，日本将按预定的目标实施LBNF项目，国际合作的科学小组将会考虑主要采用欧洲LHC的建造和运行模式，首先完成所有的规划和方案，项目目前进入了可行性研究阶段。

 在希格斯玻色子发现之后，中微子被认为是下一阶段物理学领域前沿的研究对象，中微子与其它的亚原子粒子仅发生微弱的相互作用，就像暗物质粒子和普通物质粒子之间不发生或只发生微弱的相互作用。中微子事实上含有一丁点物质，它的质量不为零，极微小的质量有助于解释中微子形态的转化，极其轻盈的中微子在宇宙空间穿行时会发生“风味”的变化，中微子摇摆也被物理学家称为中微子震荡，它是不带电、质量极微小的基本粒子。

 中微子有三种类型：电子中微子、缪子或μ中微子和陶子或τ中微子，在目前已知物质世界的12种基本粒子中，中微子的种类占了四分之一，中微子在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源与演化中扮演了极其重要的角色。中微子有一个特殊的性质，在传送过程中，从一种类型转变为另一种类型或发生中微子振荡，三种中微子相互振荡，两两组合，似乎形成了震荡的三种模式，自上世纪的60年代以来，科学家发现了两种震荡模式的迹象。“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已得到实验的证实，日本物理学家由此获得了2002年的物理诺奖，但中微子的第三种振荡模型有待发现。

2012年3月8日，大亚湾中微子实验室的国际合作组在北京宣布，他们测量了振荡的几率，在大亚湾中微子实验室发现了新型的中微子振荡模式，对粒子物质的基本规律有了新的认识，这一重要的发现将对中微子物理学的未来方向产生决定性的影响，对破解宇宙反物质的消失之谜带来帮助。大亚湾实验成果有十分重要的科学意义，深入了解中微子的基本特性，有必要进行下一代的中微子实验，找到宇宙物质和反物质不对称的内在原因。2012年12月20日，《科学》杂志公布了当年的十大科学突破，大亚湾中微子实验室发现了中微子的第三种振荡模式，这一重要发现登上了榜单。

 《科学》杂志发表评语：“如果物理学家不能发现超越希格斯玻色子的新的粒子，那么中微子物理就会代表粒子物理学的未来，大亚湾实验室的成果标志了这一领域的起飞时刻。”粒子物理学家对中微子震荡模式产生了特别的兴趣，如果中微子和反中微子在传输途中发生了“风味”的变化，那么这意味着物质和反物质的镜面对称性发生了意想不到的破裂。费米实验室的乔·莱肯加入了P5科学小组，他认为理论物理学家从优雅的理论模型做出推断，中微子与物质和反物质的对称性破缺有关联性。

 LBNF实验项目有可能为物质和反物质的对称性破缺带来决定性的证据，就像LHC实验项目为希格斯玻色子的发现带来了决定性的证据。LBNF的实验数据将为物理学家展示物质世界探索的新视野，物质和反物质在宇宙诞生的早期发生了一场“大战”，物质最终取得了胜利，少量的遗存物质形成了可观测宇宙中的各类星体。有些简单而直接的理论模型假定，物质和反物质的数量相等或数量相等，性质相反，物质和反物质严格遵循对称性法则。

 如何解释神秘性的中微子震荡？这是LBNF实验室的最大“看点”，LBNF实验项目可能取得某种不可预见的成果，任何人在任何时候进入中微子物理学的研究领域，他们都会感受意想不到的惊奇。物理学家意见一致，共同研究一个关乎物理学未来的课题，尽管困难重重，物理学家偏好各自的研究领域，人们很难判断某个领域代表未来物理学的发展方向，但中微子物理学似乎是个例外，P5科学小组的报告几乎没有引起争议，物理学家一致认为，中微子在未来物理学的研究中处于优先的地位，大型中微子实验室的建造经费巨大，各国的科学家组成一个庞大的合作团队，达成共识的选择激动人心，P5科学小组制定了实验室工程建设的基本思路和方案，这一科学工程承载了物理学家未来的梦想，各国科学家在协作中力争把蓝图变成现实。

（编译：2014-5-28）