中微子振荡实验物理与国家地下实验室建设.ppt

地下实验室与中微子物理 杨长根 1. 科学目标及非加速器物理发展态势 粒子物理学取得了巨大的成功: 迄今为止，所有实验测量的结果都与标准模型的预言一致，有的精度达到10-5 但是: 作为基本理论的框架，它是不完整的，有19个参数需要测量，有许多基本问题不能回答，包括：为什么费米子的质量延伸1011？CP破坏的起因? 为什么有三代结构？超对称性和大统一理论需要实验检验，但加速器能量的提高距此要求相差很大。 大爆炸理论获得了巨大的成功 微观和宇观的统一 理论: Theory of Everything 实验: 加速器物理 天体观测 非加速器物理: 地面实验 地下实验 (CPU)11个基本的问题: 1.什么是暗物质? 2.什么是暗能量? 3.宇宙如何起始的? 4.爱因斯坦有关引力的遗言? 5.中微子的质量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？ 6.宇宙线的起源和加速机制 ? 7.质子是稳定的吗？ 8.极端高温和高密下是否有新物质态? 9.还有其它维的时空吗? 10.铁以上核的形成? 11.极高能量下是否需要新的有关物质和光的理论? 宇宙线物理与加速器物理互补 可以产生并且加速多种粒子：? 射线、中微子、带电轻子、质子、氦和重核，还可能有奇异事例。 能谱很宽，从低能热辐射至1020eV的稀有事例。 不同距离的研究，从地球尺度，河内到河外距离。 极端状态的研究，从高温高密的中子星到黑洞。 最有意义的物理在于宇宙线中包含了我们从未想到的东西，原因在于宇宙线中蕴含有基本规律所付与的信息，这些信息需要物理学家去解读。 地下实验室的应用:1).低本底，弱信号观测，具有发现新物理的潜力2).高于加速器能量的宇宙线研究3).核物理、材料技术、微生物和地球科学。 国外从六十年代起陆续开始建立地下实验室: Homestake, Gran Sasso, Kamiokande, Soudan, SNO …, 如今大多都获得重大成果。一般都涉及多个研究方向,反复使用, 成为非加速器物理实验研究的大平台。 2.?地下实验室物理 2.1 长基线中微子振荡实验 物理目标： 2100 Km 建立中微子振荡的框架结构； 测量中微子质量的Hierarchy； 测量中微子的物质效应； 对混合矩阵的元给出测量和限定； 对轻子家族的CP破坏给出测量或限定； 中微子振荡的测量是一个很复杂的物理，它等同于夸克物理中CKM矩阵的测量，需要多个不同的探测器，不同基线长度的测量，主要的物理目标包括： 1）建立中微子振荡的框架结构， a）P(?e ??e) +P(?e ???)+ P(?e ???)，b) P(????e)+ P(?????) +P(?? ???)普通的中微子束流能够对情形 b)给出测量， 情形a）的测量，包括?e ???，只能通过中微子工厂实现。 2）测量中微子质量的模式，质量差?m232的符号只能通过测量?e 穿过物质时振荡几率与?m232的符号有关而得到，这是超过2000公里的超长基线中微子振荡实验的独特物理。 3）验证中微子通过物质的MSW效应，这对天文中微子的观测和计算是重要的。 4）对混合矩阵的元给出测量和限定，而且这些测量一致性的验证也是非常重要的，?e 束流就提供了独立于??束流的另一套测量结果。 5）对轻子家族的CP破坏给出测量值或限定，这个精确的测量是现有普通中微子束流的精度所达不到的，因而CP破坏值只能通过中微子工厂给出。 CP and mass hierarchy 国际合作获得中微子束流的可能性 对中微子工厂做研究的有美国、欧洲（CERN）、日本三家.日本对中微子工厂的努力已经逐渐有了显示度，基于FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)原理进行?子贮存环的研究可以减小对强场梯度的要求，因而可以节约贮存环的成本，而且已经在建设的J-PARC可以进一步节省前级强流质子加速器的费用。 在过去的三年里，我国与日本同行就有关长基线中微子振荡的实验进行了广泛的交流，分别各自成立了研究组，完成了两篇报告. 同样重要的是我们建立中微子的探测器，这样也就加大了争取束流指向的可能性。如: CERN to Gran Sasso,KEK to Super K CERN Layout for n Factory 2.2 用反应堆产生的中微子测量?13 到目前为止，实验上测量的中微子混合角中都是大混合角，只有?13的值很小 ; ?13大小与CP破坏成正比，而CP破坏的大小对解决物质与反物质世界不对称之迷是重要的。反应堆