中微子振荡之谜（“科学家之梦”丛书）

● 本书为十三五国家重点图书出版规划项目“科学家之梦”丛书中的*册。
● 深入介绍了中微子的基本性质和现有理论，回顾了每一个发现的发展历史以及那些令人着迷和激动的实验细节，讲述了当下中微子振荡仍存有的“未解”之谜。无论是普通读者，还是专业人士，阅读此书都会大有裨益。
● 由基本粒子物理学家、中国科学院高能物理研究所研究员、高能所理论物理室主任、中国科学院大学物理科学学院岗位教授邢志忠写就。他以一线*科研工作者所具有的学术能力和科学眼界，保证了图书内容严谨、科学，又以其独特的幽默文风，“从头开始，娓娓道来”，增加了图书的可读性。 

中微子是自然界的基本粒子之一，中微子研究是当前粒子物理、核物理、天体物理与宇宙学研究中的热门交叉研究方向，而中微子振荡是当前中微子研究的热点。本书遵循中微子物理学发展的历史脉络，介绍了中微子振荡的唯象学和物质效应，生动描述了大气中微子振荡现象及其发现过程、太阳中微子“失踪”之谜和破解这一谜题的相关振荡实验，特别是在中国本土完成并取得了巨大成功的大亚湾反应堆反中微子振荡实验，还简要概括了一些与中微子相关的亟待解决的基本问题，希望引起学术界的重视并激发广大青年学子和科普爱好者的兴趣。

邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学物理科学学院岗位教授。1987年毕业于北京大学物理系，获得理学学士学位；1993年毕业于中科院高能所，获得理学博士学位；之后分别在德国慕尼黑大学物理系（1993年10月至1996年3月以及1998年4月至2001年3月）与日本名古屋大学物理系（1996年4月至1998年3月）从事基本粒子物理学的理论研究；2001年春回国。邢志忠在中微子物理学的唯象研究领域做出过具有重要国际影响的原始创新工作，业余时间乐衷于科学普及和传播。他也是中国科学家“博客”写作的先行者，“科学网博客??所谓江湖”的博主。

作者自序 / 001

弗里奇教授序 / 005

第1章 一种新粒子的“诞生” / 013

1.1 贝塔衰变的能谱危机 / 013

1.2 探测电子型反中微子 / 017

1.3 三代中微子图像 / 020

1.4 无所不在的中微子 / 022

第2章 中微子的基本性质 / 027

2.1 关于“零”质量与轻子数 / 027

2.2 带电流与中性流弱作用 / 029

2.3 马约拉纳属性与电磁性质 / 033

2.4 轻子家族与惰性中微子 / 036

第3章 中微子质量与味混合 / 041

3.1 跷跷板与轻子生成机制 / 041

3.2 中微子的质量谱 / 046

3.3 轻子和夸克的味混合 / 053

第4章 大气与太阳中微子振荡 / 061

4.1 中微子振荡简介 / 061

4.2 大气中微子振荡 / 067

4.3 太阳中微子振荡 / 075

4.4 加速器中微子振荡实验 / 086

第5章 反应堆反中微子振荡 / 090

5.1 KamLAND实验 / 090

5.2 大亚湾实验 / 093

5.3 江门实验 / 108

5.4 中微子的未解之谜 / 114

后记 / 119

作者自序

1959 年底，物理学大师费恩曼（Richard Feynman）在美国物理学会作了一场题为“底部有足够的空间”（There is Plenty of Room at the Bottom）的经典演讲，被后人称作纳米技术的先知宣言。世间万物的“底部”与“顶部”究竟何在，自然是仁者见仁、智者见智，但它们对应着微观与宇观两个世界，却是不言而喻的。如今科学家对“底部”的窥视，早已不限于纳米尺度，而是直达质子直径千分之一的微微微米（阿米）尺度，即比纳米整整小了9 个数量级。也许“底部”的空间之大，远远超过了费恩曼和所有人的想象。无论如何，这都是物理学和物理学家的胜利！

无独有偶，英籍德裔经济学家舒马赫（Ernst Friedrich Schumacher）在1973 年出版了一部畅销书，名为《小的是美好的》（Small is Beautiful），被誉为可持续发展的先知之作。2016 年夏天经北大校友推荐，我第一次读到这本短小精悍的“旧”书，依然被其中那些超越经济学范畴的 卓越思想和见解所打动。在我研究的粒子物理学领域，除了无质量、无结构的光子和胶子，最小的基本粒子当属中微子。中微子到底有多    “小”的问题，就如同暗物质到底有多“暗”的问题一样，都是当今粒子物理学和宇宙学的未解之谜。更令人惊奇的是，中微子其实属于宇宙的 “热”暗物质，它们像幽灵一般无处不在，既是宇宙演化的参与者，也是宇宙演化的见证者。

作为已知的基本费米子家族的最轻成员，中微子不得不处于质量谱的“底部”，而那里的空间大到允许其中一类中微子的质量无穷小！正是由于中微子的“小”与“暗”，它们呈现出其他基本粒子不具备的奇特性质：振荡！中微子振荡作为宏观可测的量子相干现象，指的是一种类型的中微子在空间传播一定距离后，有可能转化成另一种类型的中微子。这是物质存在与转化的新形式，不同于散射、衰变和束缚态等人们较为熟悉的形式。本书的主旨就在于以通俗易懂的科普语言， 解读中微子振荡的奥秘，并探讨与之相关的前沿科学问题。

我与中微子振荡的不解之缘始于1995 年。那一年秋天，我在慕尼黑大学物理系与弗里奇（Harald Fritzsch）教授合作，完成了一篇题为“ 轻子质量等级与中微子振荡”（Lepton Mass Hierarchy and Neutrino  Oscillations）的论文。这是我发表的第一篇探讨中微子质量与振荡的学术文章，它与众不同地对轻子混合模式作出了今天看来定性上依然正确、定量上并不离谱的理论预言。大约两年半之后1998 年6 月，随着日本的超级神冈实验令人信服地发现了大气中微子的振荡现象，中微子物理学从此进入了激动人心的黄金时代。当年作为一个对中微子知之虽少但倍感兴趣的博士后，我有幸从一开始就跟上了这一难得的潮流，像风口上的猪一样飞了一会儿，并且亲身见证了这段辉煌的历史。

本书预设的读者群包含了正在中微子物理学前沿领域从事一线研究的学者和正在中学或大学学习经典物理学基础知识的学生，以及知识面处于两者之间但兴趣没有边界的广大科普爱好者。鉴于此，我重温了自己曾提出的关于科普与求职报告的“三分之一定理”，即三分之一的内容让所有人听得懂（否则你将失去听众）、三分之一的内容让专家听得懂（从而体现专业品质）、三分之一的内容让所有人听不懂

（以便显得自己有水平）。在接下来的写作过程中，我不得不借助几个至关重要的数学公式，目的在于尽可能准确地展现中微子振荡及物质效应的基本特征。不过我希望读者还是可以通过我的文字叙述和图表说明，获取有关中微子物理学的一些最重要信息，同时不觉得过于枯燥乏味。

尽管曾经与周顺博士合作撰写过一部颇受国内外同行好评的中微子物理学英文专著（Neutrinos in Particle Physics，Astronomy and Cosmology，浙江大学出版社与施普林格出版社2011 年出版），但我写作有关中微子的科普书籍还是第一次。好在它的篇幅短小，与它所关注的对象一样，都符合舒马赫的美学观念。另一方面，诸如“作  者水平有限，错误在所难免”之类的客套话我就不说了。毫无疑问，对我的这次写作而言，由于时间紧迫“，底部”的确有足够的空间。

本书属于国家自然科学基金面上项目“马约拉纳中微子的味结构与轻子数破坏效应”（项目批准号：11775231）和重点项目“中微子质量起源及相关新物理的理论研究”（项目批准号：11835013）的科普拓展工作的一部分。

在科教融合的大背景下，本书作为中国科学院大学物理科学学院开设的研究生专业选修课程“中微子物理学”的入门参考书，也将作为高年级本科专业选修课程“粒子物理学基础”的课外补充读物。

 

邢志忠 2018 年6 月19 日

上海