长基线中微子实验正在为解决中微子物理学中两个突出的难题——质量排序和电荷宇称违反——铺平道路。

APS/卡林凯恩

图 1： 中微子的行为可能与其“镜像”反粒子对应物不同。NOvA 等实验试图通过比较中微子和反中微子在长距离内如何改变它们的味道或“振荡”来发现这些差异。

1998 年，研究人员发现中微子在旅行时会改变它们的“味道”。这种行为只有在中微子有质量的情况下才有可能——这与粒子物理学标准模型的初始假设相反。这种超标准模型行为的发现得到了 2015 年诺贝尔物理学奖的认可，推动了通过越来越精确的实验来表征中微子振荡的巨大努力。其中一项努力，即费米实验室的新星实验，现在报告了对 2014 年至 2020 年间收集的振荡数据的分析 [ 1]，提供了迄今为止描述中微子振荡的参数的一些最准确的估计，并为中微子物理学的两个重要方面提供了重要提示——中微子质量的排序和电荷宇称 (CP) 违反程度。这些结果预示着下一代“长基线”实验的好兆头，这将极大地提高我们探索中微子物理学难以捉摸的方面的能力。

当给定类型或味道的中微子传播一段距离时，它们可以根据距离和中微子能量以一定的概率改变它们的味道。这种振荡可以通过假设有三个中微子质量本征态混合形成三种风味本征态(电子、μ子和τ)来解释，其中发生振荡。这种行为由 Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) 矩阵参数化(即，用一组有限的可测量数字在数学上描述)。正如物理学中经常发生的那样，对现象学参数化的精确测量可以为新物理学提供线索——这可能意味着开发一个连接到一组更小的参数的更简单的模型，甚至发现一个更基本的理论，仅基于对称性，描述观察结果。

今天的实验旨在解决两个关键的开放性问题。首先，中微子的质量排序方式(“正常排序”)与它们的带电轻子伙伴，众所周知的电子、μ子和τ粒子是否相同?一个幼稚的类比表明情况确实如此——但找到“倒序”将是一个令人兴奋的结果，可以指导理论发展。其次，中微子是否以与其反粒子(反中微子)相同的方式振荡，即它们是否服从CP对称性(图1)? 如果不是，我们将首次确定轻子(包括中微子、电子、μ子和陶斯的粒子扇区)违反 CP。CP违反是物理学最大难题之一的核心——宇宙中物质对反物质的支配地位。了解包括轻子在内的不同粒子扇区中的 CP 违规可能有助于解决这个难题。

中微子振荡的发现是由两种天然的中微子来源促成的：撞击地球大气层的宇宙射线和太阳中的核反应。今天，人造中微子源，如粒子加速器，使研究人员能够更好地控制产生的中微子的味道和能量，以及这些粒子在被检测到之前行进的距离或“基线”。粒子加速器可以在中微子束和反中微子束模式下工作，产生单独的中微子和反中微子通量，这对于 CP 违规搜索至关重要。目前，两个加速器实验具有足够长的基线来观测 PMNS 中微子振荡：日本的 T2K 和美国的 NOvA，基线分别为 295 公里和 810 公里。

2020 年，这两项合作公布的结果表明，双方存在着一种有趣而温和的紧张关系 [ 2 , 3]。两个实验都略微倾向于正常排序而不是反向排序，尽管 NOvA 由于其较长的基线，对质量排序具有更明显的敏感性。T2K 实验表明，中微子的振荡速度比反中微子快——这意味着大的 CP 违反。然而，从 NOvA 结果中提取的 CP 违反程度取决于质量排序。对于正常排序，NOvA 倾向于小的 CP 违规，而对于反向排序，NOvA 的结果将与 T2K 兼容。统计波动是对这些差异最经济的解释，但紧张局势是深入研究影响这些测量的系统不确定性的机会。还提出了对张力的更奇特的解释，包括中微子的“非标准”相互作用。

NOvA 的新报告 [ 1 ] 详细描述了 2020 年公布的结果。关于 NOvA 在 2019 年发布的先前分析 [ 4]，新的包括大约 50% 的中微子束模式数据以及对自 2014 年以来采集的所有数据的再分析。再分析进一步优化，以利用 NOvA 的近探测器和远探测器基于相同技术的事实，使用部分消除系统不确定性的程序。NOvA 主要产生 μ 子中微子或反中微子，并使用在远探测器旅行中幸存下来的 μ 子中微子和反中微子的数量和能量以及出现在远探测器处的电子中微子的数量和能量作为主要可观测物。从这些测量的观测值中，分析提取了对振荡参数、质量排序和 CP 违反程度的估计。

自 2020 年宣布以来，许多研究人员已经对来自 NOvA、T2K 和其他实验(包括使用核反应堆、太阳和宇宙射线产生的中微子的实验)的数据集进行了“联合拟合”[ 5 - 7]。这些联合拟合有利于正常排序，在 NOvA 和 T2K 之间存在一定程度的 CP 违规。对正常排序的偏好受到 Super-Kamiokande 数据的高度影响——日本的一个天文台测量宇宙射线产生的中微子——它对质量排序很敏感。当拟合中包含 T2K 和 NOvA 结果时，这种偏好会减少，因为反向排序会释放正常排序所见的那些实验之间的紧张关系。显然，还有更多工作要做。然而，这些联合拟合无法解释 NOvA 和 T2K 之间系统不确定性的相关性。幸运的是，这两个实验正在合作产生一个新的联合拟合，这将在结合它们的测量值时阐明这种相关性的可能影响。

那么，未来会发生什么?正在建设的新一代长基线实验，如日本的超神冈实验和美国的深地下中微子实验(DUNE)，将使现有统计数据增加 20 倍以上。届时，前所未有的需要对系统的不确定性进行控制。这些不确定性中最复杂的——与中微子产生和中微子-核相互作用的建模相关——涉及需要与核物理界密切合作的深层核物理问题。统计数据的提升可能会让研究人员取得一些简单的进展：建立质量等级和 CP 违规程度。但随着大量数据在长期内变得可用，

为了控制系统不确定性并允许对数据进行更独立于模型的解释，将具有不同基线和中微子能量的互补实验相结合将是至关重要的。T2K 和 NOvA 正在展示这些协同作用的强大程度。中微子搜索的一个指导性例子可能来自粒子物理学最著名的成功——希格斯玻色子的发现。这种成功建立在不断提高性能和完善对电弱领域的基本理解的多代实验的基础上，以及两个主要的希格斯搜索实验——ATLAS 和 CMS 的结合。