長基線中微子實驗正在為解決中微子物理學中兩個突出的難題——質量排序和電荷宇稱違反——鋪平道路。

APS/卡林凱恩

圖 1： 中微子的行為可能與其“鏡像”反粒子對應物不同。NOvA 等實驗試圖通過比較中微子和反中微子在長距離內如何改變它們的味道或“振蕩”來發現這些差異。

1998 年，研究人員發現中微子在旅行時會改變它們的“味道”。這種行為只有在中微子有質量的情況下才有可能——這與粒子物理學標準模型的初始假設相反。這種超標準模型行為的發現得到了 2015 年諾貝爾物理學獎的認可，推動了通過越來越精確的實驗來表征中微子振蕩的巨大努力。其中一項努力，即費米實驗室的新星實驗，現在報告了對 2014 年至 2020 年間收集的振蕩數據的分析 [ 1]，提供了迄今為止描述中微子振蕩的參數的一些最準確的估計，并為中微子物理學的兩個重要方面提供了重要提示——中微子質量的排序和電荷宇稱 (CP) 違反程度。這些結果預示著下一代“長基線”實驗的好兆頭，這將極大地提高我們探索中微子物理學難以捉摸的方面的能力。

當給定類型或味道的中微子傳播一段距離時，它們可以根據距離和中微子能量以一定的概率改變它們的味道。這種振蕩可以通過假設有三個中微子質量本征態混合形成三種風味本征態(電子、μ子和τ)來解釋，其中發生振蕩。這種行為由 Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) 矩陣參數化(即，用一組有限的可測量數字在數學上描述)。正如物理學中經常發生的那樣，對現象學參數化的精確測量可以為新物理學提供線索——這可能意味著開發一個連接到一組更小的參數的更簡單的模型，甚至發現一個更基本的理論，僅基于對稱性，描述觀察結果。

今天的實驗旨在解決兩個關鍵的開放性問題。首先，中微子的質量排序方式(“正常排序”)與它們的帶電輕子伙伴，眾所周知的電子、μ子和τ粒子是否相同?一個幼稚的類比表明情況確實如此——但找到“倒序”將是一個令人興奮的結果，可以指導理論發展。其次，中微子是否以與其反粒子(反中微子)相同的方式振蕩，即它們是否服從CP對稱性(圖1)? 如果不是，我們將首次確定輕子(包括中微子、電子、μ子和陶斯的粒子扇區)違反 CP。CP違反是物理學最大難題之一的核心——宇宙中物質對反物質的支配地位。了解包括輕子在內的不同粒子扇區中的 CP 違規可能有助于解決這個難題。

中微子振蕩的發現是由兩種天然的中微子來源促成的：撞擊地球大氣層的宇宙射線和太陽中的核反應。今天，人造中微子源，如粒子加速器，使研究人員能夠更好地控制產生的中微子的味道和能量，以及這些粒子在被檢測到之前行進的距離或“基線”。粒子加速器可以在中微子束和反中微子束模式下工作，產生單獨的中微子和反中微子通量，這對于 CP 違規搜索至關重要。目前，兩個加速器實驗具有足夠長的基線來觀測 PMNS 中微子振蕩：日本的 T2K 和美國的 NOvA，基線分別為 295 公里和 810 公里。

2020 年，這兩項合作公布的結果表明，雙方存在著一種有趣而溫和的緊張關系 [ 2 , 3]。兩個實驗都略微傾向于正常排序而不是反向排序，盡管 NOvA 由于其較長的基線，對質量排序具有更明顯的敏感性。T2K 實驗表明，中微子的振蕩速度比反中微子快——這意味著大的 CP 違反。然而，從 NOvA 結果中提取的 CP 違反程度取決于質量排序。對于正常排序，NOvA 傾向于小的 CP 違規，而對于反向排序，NOvA 的結果將與 T2K 兼容。統計波動是對這些差異最經濟的解釋，但緊張局勢是深入研究影響這些測量的系統不確定性的機會。還提出了對張力的更奇特的解釋，包括中微子的“非標準”相互作用。

NOvA 的新報告 [ 1 ] 詳細描述了 2020 年公布的結果。關于 NOvA 在 2019 年發布的先前分析 [ 4]，新的包括大約 50% 的中微子束模式數據以及對自 2014 年以來采集的所有數據的再分析。再分析進一步優化，以利用 NOvA 的近探測器和遠探測器基于相同技術的事實，使用部分消除系統不確定性的程序。NOvA 主要產生 μ 子中微子或反中微子，并使用在遠探測器旅行中幸存下來的 μ 子中微子和反中微子的數量和能量以及出現在遠探測器處的電子中微子的數量和能量作為主要可觀測物。從這些測量的觀測值中，分析提取了對振蕩參數、質量排序和 CP 違反程度的估計。

自 2020 年宣布以來，許多研究人員已經對來自 NOvA、T2K 和其他實驗(包括使用核反應堆、太陽和宇宙射線產生的中微子的實驗)的數據集進行了“聯合擬合”[ 5 - 7]。這些聯合擬合有利于正常排序，在 NOvA 和 T2K 之間存在一定程度的 CP 違規。對正常排序的偏好受到 Super-Kamiokande 數據的高度影響——日本的一個天文臺測量宇宙射線產生的中微子——它對質量排序很敏感。當擬合中包含 T2K 和 NOvA 結果時，這種偏好會減少，因為反向排序會釋放正常排序所見的那些實驗之間的緊張關系。顯然，還有更多工作要做。然而，這些聯合擬合無法解釋 NOvA 和 T2K 之間系統不確定性的相關性。幸運的是，這兩個實驗正在合作產生一個新的聯合擬合，這將在結合它們的測量值時闡明這種相關性的可能影響。

那么，未來會發生什么?正在建設的新一代長基線實驗，如日本的超神岡實驗和美國的深地下中微子實驗(DUNE)，將使現有統計數據增加 20 倍以上。屆時，前所未有的需要對系統的不確定性進行控制。這些不確定性中最復雜的——與中微子產生和中微子-核相互作用的建模相關——涉及需要與核物理界密切合作的深層核物理問題。統計數據的提升可能會讓研究人員取得一些簡單的進展：建立質量等級和 CP 違規程度。但隨著大量數據在長期內變得可用，

為了控制系統不確定性并允許對數據進行更獨立于模型的解釋，將具有不同基線和中微子能量的互補實驗相結合將是至關重要的。T2K 和 NOvA 正在展示這些協同作用的強大程度。中微子搜索的一個指導性例子可能來自粒子物理學最著名的成功——希格斯玻色子的發現。這種成功建立在不斷提高性能和完善對電弱領域的基本理解的多代實驗的基礎上，以及兩個主要的希格斯搜索實驗——ATLAS 和 CMS 的結合。