地下实验室与中微子物理

1. 地下实验室与中微子物理 杨长根

2. 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。

3. 最新的WMAP的数据预言了宇宙的最终命运：宇宙的形成为137亿年，误差为1%。大爆炸两亿年后开始有星球形成，而且宇宙将永远膨胀下去， WMAP给出最新的宇宙质量能量组成比是：重子物质占4%，暗物质占23%，暗能量占73%。 大爆炸理论获得了巨大的成功

4. 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

5. (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?

6. 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。

7. 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。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。

8. 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；

9. 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：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。

10. CP and mass hierarchy

11. 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

12. CERN Layout for n Factory

13. 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。反应堆测量直接与13有关，不与其它参数相简并，相关性也很小。 大陆、台湾、香港同行们正开始考虑以三方为主的国际合作，探讨在国内利用广东大丫湾反应堆进行实验的可能性。在距大丫湾发电站约1公里的岭东正在新建另一个发电站，预计它们的总功率将达到18GW，比现有世界上大部分的地点具有明显的优越性。这提供了一个近期开展目前非常有意义的中微子物理研究的机会。

14. Matter and Anti-MatterEarly Universe 10,000,000,001 10,000,000,000 Matter Anti-matter They basically have all annihilated away except a tiny difference between them

15. Leptogenesis • You generate Lepton Asymmetry first. • Generate L from the direct CP violation in right-handed neutrino decay • L gets converted to B via EW anomaly  More matter than anti-matter  We have survived “The Great Annihilation”

16. 大亚湾反应堆中微子(继续?) 更精确的测量? HLMA 建议: 基线长度: 19.5公里 1) LMA-II ： m212 ~1.2-2.0×10-4eV2 2) ~2-4×10-4eV2， 对m23的符号敏感？ 基线长度: 90公里 在KAMLAND测得的第一极大位置精确测量12和m212？

17. 2.3 其它的中微子物理 1). 太阳中微子 2). 双衰变 3). 大气中微子实验

18. 对中微子质量平方差的灵敏度可到m2~10-12eV，这个数值是地球上中微子实验的好几个数量级，未来实验累积足够的pp太阳中微子数据将给出最好的12和m122的测量值；中微子在太阳中穿过了~1010g/cm2的物质，它与物质的相互作用可以增大振荡的几率（MSW物质效应），因此低能太阳中微子的测量将给出LMA解的验证。中微子（pp和7Be）的精确测量将进一步限定e到s的耦合，因为即使s与其它中微子有很小的耦合也会在宇宙学中有很大的影响；太阳中微子测量的探测器还是一个极好的超新星探测器；太阳中微子的测量还对太阳物理检验提供重要依据，对了解太阳内部核反应链的周期活动非常重要，未来太阳中微子的探测器期望能够测量弹性散射和带电流的相互作用，测量精度为1-3%，要求能够区分到达的中微子的味道。对中微子质量平方差的灵敏度可到m2~10-12eV，这个数值是地球上中微子实验的好几个数量级，未来实验累积足够的pp太阳中微子数据将给出最好的12和m122的测量值；中微子在太阳中穿过了~1010g/cm2的物质，它与物质的相互作用可以增大振荡的几率（MSW物质效应），因此低能太阳中微子的测量将给出LMA解的验证。中微子（pp和7Be）的精确测量将进一步限定e到s的耦合，因为即使s与其它中微子有很小的耦合也会在宇宙学中有很大的影响；太阳中微子测量的探测器还是一个极好的超新星探测器；太阳中微子的测量还对太阳物理检验提供重要依据，对了解太阳内部核反应链的周期活动非常重要，未来太阳中微子的探测器期望能够测量弹性散射和带电流的相互作用，测量精度为1-3%，要求能够区分到达的中微子的味道。 1). 太阳中微子

19. SNO comes to the rescue • Charged Current:ne • Neutral Current: ne+nm+nt • 5.3s difference  nm,t are coming from the Sun!

20. Only ne produced in the Sun Wrong Neutrinosnm,t are coming from the Sun! Somehow some of ne were converted to nm,t on their way from the Sun’s core to the detector  neutrino oscillation! Wrong Neutrinos

21. 2). 双衰变 确定中微子是否是Majorana型，如果是，轻子数守恒被破坏；中微子振荡只能确定中微子间是否有质量差，但不能确定中微子质量的标度，双衰变最有可能给出中微子的质量标度值；轻子数破坏的双衰变，和CP破坏联合有可能帮助我们理解重子数的起源；如果存在双衰变，那么将是一个很重要的核衰变模式，影响到其它多达50个的稳定核，双衰变促进了核结构理论的发展。 双衰变寿命的下限限定，平均每两年提高2倍，也有双衰变的摩尔定理成立。

22. Seesaw Mechanism • Why is neutrino mass so small? • Need right-handed neutrinos to generate neutrino mass, but nR SM neutral: To obtain m3~(Dm2atm)1/2, mD~mt, M3~1015GeV (GUT!)

23. electromagnetic, weak, and strong forces have very different strengths But their strengths become the same at 1016 GeV if supersymmetry To obtain m3~(Dm2atm)1/2, mD~mt  M3~1015GeV! Grand Unification M3 Neutrino mass may be probing unification: Einstein’s dream

24. 3). 大气中微子实验 随角度的不同，中微子穿过的距离可以从10公里至13000公里不等，对GeV能量的中微子，L/E测量的范围为1-105公里/GeV，对m2的测量灵敏度到10-4eV2，而且从上到下和从下到上的中微子间可以做自洽检验；通过大气中微子的测量可以测量中微子的振荡模式，测量出现（Super K的结果支持振荡）；验证地球的物质效应；可以测量几个GeV的中微子与核作用的响应函数和裂变产生，这对核结构理论，超新星和太阳中微子问题是有意义的。

25. A half of nm lost!

26. 2.4 宇宙学和天体物理 1). 暗物质 2). 超新星中微子探测 3). 核天体物理

27. 微波背景辐射和大尺度结构的精确测量使我们不得不接受宇宙中充满了暗能量和暗物质的事实。物质成分的比例远远超过重子物质强烈地说明存在有非重子的物质成份，这些物质产生于早期热宇宙中，现在作为一个物质背景而存在，对宇宙膨胀和大尺度结构产生影响。微波背景辐射和大尺度结构的精确测量使我们不得不接受宇宙中充满了暗能量和暗物质的事实。物质成分的比例远远超过重子物质强烈地说明存在有非重子的物质成份，这些物质产生于早期热宇宙中，现在作为一个物质背景而存在，对宇宙膨胀和大尺度结构产生影响。 1). 暗物质

28. Search for an annual modulation due to the Earth’s motion around the Sun Direct detection - general principles WIMP + nucleus WIMP + nucleus Measure the nuclear recoil energy Suppress backgrounds enough to be sensitive to a signal, or...

29. 2). 超新星中微子探测 银河系内的超新星爆发频率为每30年一个。超新星的理解对天体物理的很多方面都是很关键的，在星系的长时间演化中，超新星爆发提供了重要的能量来源。一般地认为一半的重核形成于质子中子星中的快速中子俘获，另一半与超新星形成的激波加热有关，或者说爆炸形成了核。 1987A中微子事例的测量表明重质量星发生坍缩，随后质子中子星（protoneutron）冷却这个粗略图像是对的，释放的中微子能量约为3x1053尔格，冷却时间约3毫秒。这些数据还对许多粒子和天体物理给出许多重要的约束，包括对中微子质量和磁矩的约束，包括异常的冷却机制，比如轴子和大质量Dirac中微子的约束，甚至包括超维理论。

30. 超新星中微子探测（Cont.) 超新星可以产生各种味道的中微子。由于高密度，因此在核内部形成中微子陷阱，又由于温度和作用的不同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此对中微子的测量可以研究中微子的振荡效应，物质效应，超新星机制；当质子中子星冷却时，有可能坍缩成为黑洞，对应的中微子光变曲线发生截断；同时对引力波，光学和中微子信号的测量可以对超新星的坍缩机制形成多方的约束。 除了水契伦柯夫探测器、液闪和液氩探测器外，也可以有较便宜的采用铅基的探测器，通过208Pb(νe,e- )208 Bi＊ 发射一到两个中子测带电流作用，通过208Pb(νx, νx)208 Pb＊发射n，2n或者γ测中性流相互作用，也可以用放射化学的方法做类实时的测量，如127I (νe,e- )127 Xe 。

31. 1.Collapse (infall phase) 2. Shock break out 3.Matter accretion 4. Kelvin-Helmholtz cooling Traps neutrinos and lepton number of outer core layers Structure of Supernova Neutrino Signal

32. Beacom, Boyd & Mezzacappa, hep-ph/0006015 Super-Kamiokande sensitivity mn ~ 1.8 eV Neutrino Mass from Early Black Hole Formation Tail of neutrino signal in Super-K Black hole formation

33. 3). 核天体物理 测量恒星系统演化不同阶段的静态核燃烧过程、时间跨度和爆炸的起始状态,新星的核合成，X射线爆和超新星。核天体物理模型精度的提高要求截面测量精度的提高。太阳标准模型对中微子流强的计算需要确定pp链的反应率，CNO反应截面，特别是氦燃烧的反应12C( ,) 16O 对Ⅱ类超新星的起源和演化有重要的作用，反应截面的测量对建立SNIa标准烛光的定量模型非常重要。由于极低的事例率，在地面测量有很大的本底。因此在地下建立一个加速器实验室进行反应截面的测量将具有极大的竞争能力。

34. 2.5 质子衰变 最新测量的中微子质量模式隐含了存在～0.3x1015GeV右手Majorana中微子的Seesaw机制，能量标度与大统一能量相符。但大统一理论最直接的预言是核子衰变为轻子物质，如电子和介子，显示夸克轻子的统一性和轻子起源(Leptogenesis)的概念。 探测器将是百万吨的水契伦柯夫探测器或大规模的液氩探测器。百万吨的探测器同时可以进行长基线中微子振荡测量、测量CP破坏，可以进行大气、太阳和超新星中微子的实验。

35. Megatonne detector motivated by • Long baseline neutrino oscillations • Proton decay • Atmospheric neutrinos • Solar neutrinos • Supernova neutrinos (~105events for SN at 10 kpc) Similar discussions in • USA (UNO project) • Europe (Frejus Tunnel) The Future: A Megatonne Detector?

36. 2.6 其它学科 1). 地球科学 地下岩洞的长期稳定性，时间与周围环境的影响以及与理论模型的比较。这些研究对于长寿命核废料的储存和今后洞穴的设计都有意义。 2). 微生物学 研究生物群在非原生和苛刻环境下的生存能力和活动能力；研究本地微生物群和周围环境对它们的影响；研究深层地下有液体的断层和岩石断层间生物群的差别，以此考察生物群在极端环境下的生存。 3). 精密核分析 低本底材料的开发和应用, 用于下一代的双β衰变，暗物质寻找和太阳中微子实验。也有可能生产高放射性纯度的材料应用于商业。

37. 3. 投资估计 地下实验室建设： 约5千万； 中、小型宇宙线或天体物理实验： 约1-5千万； 用于反应堆e测量的罐形液闪探测器（1-2百吨）： 约1亿； 长基线中微子探测器（以一万吨夹层的铁磁探测器或基于模型结构的十万吨水契仑柯夫探测器为例估算）： 约5-10亿。

38. 结论 • 长基线中微子振荡实验 • 用反应堆产生的中微子测量13 • 太阳中微子 • 双衰变 • 大气中微子实验 • 暗物质 • 超新星中微子探测 • 核天体物理 • 质子衰变 • 其他科学(地球科学, 微生物学, 精密核分析)

39. 建议选择合适的地点建立一个国家级的地下实验室，以长远，可更新，多学科综合为目标，着眼于有重大物理意义的课题，抓住粒子天体物理刚开始发展，将要取得有突破性进展的机遇，做出有实质意义的贡献。建议选择合适的地点建立一个国家级的地下实验室，以长远，可更新，多学科综合为目标，着眼于有重大物理意义的课题，抓住粒子天体物理刚开始发展，将要取得有突破性进展的机遇，做出有实质意义的贡献。

40. 我们不应该太晚而丧失建立地下实验室的机会!我们不应该太晚而丧失建立地下实验室的机会!