1、最小的粒子和最大的宇宙密切相關(guān)

2、標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整

3、宇宙學(xué)研究提出了問(wèn)題

4、理論模型的檢驗(yàn)需要非加速器物理的實(shí)驗(yàn)手段

5、多個(gè)重要問(wèn)題的研究與地下實(shí)驗(yàn)相關(guān)

6、研究中微子特性是否能解開(kāi)多個(gè)“謎”

7、世界各國(guó)已經(jīng)有多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室在工作

8、長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)

9、用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子測(cè)量重要參數(shù)θ₁₃

10、地下實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)展的其他重要研究

11、中國(guó)需要盡快部署國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

1、最小與最大的關(guān)聯(lián)

在20世紀(jì)，基礎(chǔ)科學(xué)各方面都取得了非凡的進(jìn)展，在物理科學(xué)中，研究的范圍從小至10^-17厘米物質(zhì)構(gòu)成的基本單元，大至宇宙的尺寸。在這之間發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)包括了原子理論、固體理論、現(xiàn)代的化學(xué)分子理論等，不少理論發(fā)展為技術(shù)，有的與我們的物質(zhì)生活緊密聯(lián)系，比如納米技術(shù)、基因的確定、超導(dǎo)的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展等等?；A(chǔ)物理的研究并不因這些成果而停止，它向更深的層次發(fā)展。今天，有越來(lái)越多的證據(jù)表明物理世界的兩個(gè)極端，最小的粒子和最大的宇宙是密切相關(guān)的，我們正在追尋使它們緊密聯(lián)系起來(lái)的理論，這個(gè)完整的理論主宰著最小和最大的世界的運(yùn)轉(zhuǎn)。 

2、標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整

對(duì)基本粒子物理而言，有關(guān)夸克和輕子的電弱和強(qiáng)相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，它可以非常精確地描述加速器能量至幾百GeV,或者說(shuō)小至10^-17厘米的物理現(xiàn)象。但作為基本理論的框架，它是不完整的，它有不完整19個(gè)參數(shù)需要各種各樣的實(shí)驗(yàn)作測(cè)量，還有許多基本的問(wèn)題不能回答，這包括：為什么費(fèi)米子的質(zhì)量延伸11個(gè)數(shù)量級(jí)？CP破壞的起因是什么，怎么去理解夸克輕子族的結(jié)構(gòu)？可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型作改進(jìn)，如超對(duì)稱性理論和大統(tǒng)一理論，但它們并沒(méi)有被證實(shí)，它們的預(yù)言需要由實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，有些檢驗(yàn)是不能由加速器實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，比如說(shuō)大統(tǒng)一理論的能量尺度比現(xiàn)在加速器所能達(dá)到的最高能量大幾萬(wàn)億倍。在更深的層次上，還存在物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱和電荷量子化的基本問(wèn)題。 

今天，實(shí)驗(yàn)上有很強(qiáng)的證據(jù)證明標(biāo)準(zhǔn)模型之外有新的理論,當(dāng)我們突破傳統(tǒng)的強(qiáng)子和帶電輕子的高能物理界限的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在小于1個(gè)電子伏的低能端，中微子振蕩在向標(biāo)準(zhǔn)模型挑戰(zhàn)，另一方面，在宇宙尺度上，雖然我們不知道大爆炸遺跡中產(chǎn)生了什么，但極高能端的問(wèn)題由于宇宙暗物質(zhì)和暗能量的存在而慢慢浮現(xiàn)了出來(lái)。 

3、宇宙學(xué)研究提出了問(wèn)題

在宇宙學(xué)方面，大爆炸理論表明宇宙從高溫、高密度的狀態(tài)膨脹，而后冷卻的演化過(guò)程，隨著天文學(xué)觀測(cè)精度的提高，提供了支持大爆炸理論的證據(jù)，建立了如下幾條基本事實(shí)：

（1）由于宇宙膨脹的原因，從遠(yuǎn)處星系發(fā)出的光產(chǎn)生了紅移，因此星系之間正在彼此遠(yuǎn)離。

（2）存在由于高壓和高溫形成的宇宙背景輻射，今天的宇宙當(dāng)中每立方厘米中約有411個(gè)熱光子，它們的能量分布遵從平均溫度為2.7^oK的黑體輻射規(guī)律。

（3）今天宇宙中存在大量的氘和氦可以追溯到早期的高溫宇宙。

（4）離得越遠(yuǎn)的星系就越年輕并且越稀少，說(shuō)明它們處于宇宙演化的較早狀態(tài)。

（5）宇宙物質(zhì)的多少?zèng)Q定了時(shí)空的彎曲度，這與廣義相對(duì)論是相符的。

美國(guó)2003年發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP）提供的最新數(shù)據(jù)確定了一些天體物理的基本參數(shù)，并且預(yù)言了宇宙的最終命運(yùn)：宇宙的形成年齡為137億年，誤差為1%。大爆炸兩億年后開(kāi)始有星球形成，而且宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去，測(cè)量背景輻射溫度極性提供了新的宇宙膨脹的證據(jù)，WMAP給出最新的宇宙質(zhì)量能量組成比是：普通物質(zhì)占4%，暗物質(zhì)占23%，暗能量占73%。 

4、理論模型的檢驗(yàn)需要非加速器物理的實(shí)驗(yàn)手段

在粒子物理研究的早期，從宇宙線研究中得到的豐碩的成果，比如正電子、μ子、π等的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)奠定了粒子物理發(fā)展的基礎(chǔ)。從加速器用于粒子物理研究開(kāi)始，粒子物理對(duì)天體物理和宇宙學(xué)的研究一直是處于幫助的地位。但今天經(jīng)過(guò)了一個(gè)輪回，天體物理和宇宙學(xué)開(kāi)始有了回饋。首先，標(biāo)準(zhǔn)模型只關(guān)心僅占4%的宇宙質(zhì)量能量問(wèn)題是不能令人滿意的，標(biāo)準(zhǔn)模型必須要朝著包含進(jìn)新物理的方向發(fā)展，其次，膨脹自大爆炸后的10^-35-10^-33秒就開(kāi)始了，這時(shí)的能量（溫度）范圍為10¹²GeV（10^25oK）-10¹⁴GeV（10^27oK），在這個(gè)能量范圍還缺少一個(gè)可以被證實(shí)的理論模型，因此現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更迫切地需要建立一個(gè)超出標(biāo)準(zhǔn)模型適用更高能量的基本粒子理論。在這樣高能量下，理論模型的檢驗(yàn)是不能完全依靠加速器物理實(shí)驗(yàn)的，它需要非加速器物理實(shí)驗(yàn)手段的幫助。與加速器相比，盡管宇宙線不是一個(gè)很好的做詳細(xì)研究的工具，但它卻提供了多方面的工具，與加速器物理起到了互補(bǔ)的作用。

（1）可以產(chǎn)生并且加速多種粒子：γ射線、中微子、帶電輕子、質(zhì)子、氦和重核，還可能有奇異事例。

（2）能譜很寬，從低能熱輻射至10²⁰eV的稀有事例。

（3）不同距離的研究，從地球尺度，河內(nèi)到河外距離。

（4）極端狀態(tài)的研究，從高溫高密的中子星到黑洞。

（5）最有意義的物理在于宇宙線中包含了我們從未想到的東西，原因在于宇宙線中蘊(yùn)含有基本規(guī)律所付與的信息，這些信息需要物理學(xué)家去解讀。 

5、多個(gè)重要問(wèn)題的研究與地下實(shí)驗(yàn)相關(guān)

由于粒子物理和宇宙學(xué)的共生關(guān)系，為了它們的共同發(fā)展，美國(guó)的宇宙物理委員會(huì)（Committee on the Physics the Universe，CPU）列出了這兩個(gè)領(lǐng)域的十一個(gè)問(wèn)題，并在報(bào)告中建議建立國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室作為手段對(duì)其中的一些問(wèn)題進(jìn)行研究，這其中至少有五個(gè)問(wèn)題是與地下實(shí)驗(yàn)有關(guān)聯(lián)：（1）暗物質(zhì)是什么？（2）暗能量是什么？（3）中微子的質(zhì)量是多少？它在宇宙演化中的作用是什么？（4）高能宇宙線的起源和加速機(jī)制？（5）質(zhì)子是穩(wěn)定的嗎？ 

6、研究中微子特性是否能解開(kāi)多個(gè)“謎”

在這些問(wèn)題中，發(fā)展最快的是中微子物理。中微子質(zhì)量雖然小，與物質(zhì)只有弱相互作用，但它卻從宇宙形成之初就開(kāi)始起很大作用，它和其它粒子共同產(chǎn)生于早期宇宙高溫、高壓的等離子體熱平衡態(tài)中，中微子和微波背景輻射的光子數(shù)目相當(dāng)，比質(zhì)子多十億倍，中微子質(zhì)量即使只有幾個(gè)eV/c²，那么它可以成為暗物質(zhì)的相當(dāng)一部分，目前中微子質(zhì)量測(cè)量的上限說(shuō)明中微子不可能是暗物質(zhì)的全部。中微子的性質(zhì)還說(shuō)明它對(duì)早期宇宙中元素的形成起了重要作用，它參與質(zhì)子與中子的相互轉(zhuǎn)變，中微子的特性影響了中子的產(chǎn)生、俘獲和衰變等性質(zhì)，進(jìn)而影響到元素氫、氦、鋰核的產(chǎn)生豐度，這些輕元素豐度的計(jì)算值已被現(xiàn)在的測(cè)量所證實(shí)。目前，我們還不知道中微子當(dāng)中有沒(méi)有CP破壞，如果中微子存在CP破壞，它將可能解決宇宙中的物質(zhì)——反物質(zhì)不對(duì)稱性這個(gè)重要問(wèn)題。

物質(zhì)質(zhì)量的多少是宇宙學(xué)的基本參數(shù)，暗物質(zhì)的存在已經(jīng)通過(guò)星系的引力效應(yīng)得到證實(shí)，最新的證據(jù)來(lái)自光穿過(guò)星系時(shí)產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)，逐漸累積的證據(jù)表明了大量暗物質(zhì)的存在，它幾乎是通常物質(zhì)的十倍。但暗物質(zhì)是由什么組成的仍然是個(gè)謎，中微子可以是一個(gè)候選者，但它不構(gòu)成暗物質(zhì)的全部，第二個(gè)可能的候選者是超對(duì)稱性的Neutralino，另外一個(gè)是軸子，后兩者都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的手段進(jìn)行尋找。

雖然我們還不知道暗能量是什么，但它一定存在，因?yàn)橛钪嬖诩铀倥蛎?。它有可能是和暗物質(zhì)聯(lián)系在一起的，除了可以借助于天文工具，通過(guò)測(cè)量紅移隨距離的關(guān)系來(lái)推斷暗能量和暗物質(zhì)的多少和性質(zhì)外，實(shí)驗(yàn)室作為互相補(bǔ)充的手段亦是不可缺少的，小至尋找亞毫米尺度偏離平方反比的實(shí)驗(yàn)，大至等效原理的檢驗(yàn)，在任何尺度偏離牛頓引力定律的發(fā)現(xiàn)都將對(duì)物理世界產(chǎn)生革命。（下圖為科學(xué)家繪制的暗能量正在驅(qū)動(dòng)著宇宙不斷地膨脹）

到目前為止，大部分有關(guān)宇宙線加速的信息來(lái)自于γ光子的測(cè)量，但更多的信息將可能來(lái)自于原初加速的粒子，或由這些粒子產(chǎn)生的次級(jí)光子和中微子所攜帶的信息。最為不理解的是能量大于3′10²⁰eV的高能宇宙線，由于存在與背景輻射光子的作用，這些高能的宇宙線粒子只能來(lái)自離我們較近的源，可能來(lái)自于近處的AGN,γ爆，拓?fù)淙毕菟プ兓虼蟊óa(chǎn)生的大質(zhì)量遺跡。

宇宙學(xué)中另一個(gè)重大的問(wèn)題是：為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多得多？大爆炸剛開(kāi)始時(shí)物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多的，就像正電荷和負(fù)電荷同樣多一樣，但隨后在非常高能端產(chǎn)生的非常微小的物質(zhì)不對(duì)稱性的相互作用可能導(dǎo)致了物質(zhì)的不對(duì)稱性，這個(gè)相互作用在今天也應(yīng)該允許質(zhì)子發(fā)生衰變，它可以在低能量下以很慢的速率發(fā)生，那么究竟有沒(méi)有質(zhì)子衰變呢？現(xiàn)在世界上正在建議建設(shè)百萬(wàn)噸的水契侖柯夫探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。

7、世界各國(guó)已經(jīng)有多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室在工作

中微子振蕩實(shí)驗(yàn)顯著的傾向是向地下實(shí)驗(yàn)的方向發(fā)展，世界各國(guó)已經(jīng)有多個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室在工作，美國(guó)、西班牙、印度幾個(gè)開(kāi)展科學(xué)和技術(shù)研究的新的實(shí)驗(yàn)室也正在醞釀和建設(shè)中。美國(guó)很多大學(xué)物理系已經(jīng)加強(qiáng)了天體物理和宇宙學(xué)研究的力量。開(kāi)展地下實(shí)驗(yàn)主要有三方面的原因：

（1）由于對(duì)宇宙線起到了很強(qiáng)的過(guò)濾作用，因而它具有低本底的特性，適宜于弱信號(hào)的觀測(cè)，具有發(fā)現(xiàn)新物理的潛力。

（2）由于對(duì)低能宇宙線的屏蔽，因而能夠?qū)Ω吣苡钪婢€進(jìn)行更好的測(cè)量，進(jìn)行高于加速器能量的物理研究，與加速器研究起互補(bǔ)的作用。

（3）一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室對(duì)其它科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域也具有巨大的實(shí)用價(jià)值，除粒子物理和宇宙學(xué)天體物理外，包括核物理、材料技術(shù)、微生物和地球科學(xué)。  

國(guó)外從上個(gè)世紀(jì)六十年代起陸續(xù)開(kāi)始建立地下實(shí)驗(yàn)室: 美國(guó)的Homestake（左）, 意大利的Gran Sasso（中）, 日本神岡Kamiokande（右），美國(guó)的Soudan，加拿大的SNO …, 如今大多都獲得重大成果。它們一般都涉及多個(gè)研究方向，在運(yùn)行幾十年的過(guò)程中不斷更新，逐漸發(fā)展成為非加速器物理實(shí)驗(yàn)研究的大平臺(tái)。地下實(shí)驗(yàn)室作為研究新現(xiàn)象工具的價(jià)值已被事實(shí)所證明。建立于1965年美國(guó)Homestake礦由戴維斯開(kāi)始的太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)，由于發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子的丟失而開(kāi)始了今天世界范圍的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)。由小柴昌俊開(kāi)始的日本神岡大氣和太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)取得了一系列的成果。

8、長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn) 

很長(zhǎng)一段時(shí)間，中微子都被認(rèn)為是像光子一樣沒(méi)有質(zhì)量的，與其它物質(zhì)的相互作用非常弱。五、六十年代，Pontecorvo & Maki等人提出了中微子振蕩的概念，即當(dāng)中微子穿過(guò)一段距離時(shí)，有可能由一種中微子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N中微子。目前為止總共發(fā)現(xiàn)了三種中微子：n_e（電子中微子）、n_m（μ中微子）、n_t（t中微子），還沒(méi)有排除n_s。

中微子可能有振蕩的最早線索來(lái)自于太陽(yáng)中微子的研究（位于美國(guó)South Dakota 的Homestake礦井），測(cè)到的電子中微子大概是預(yù)期值的三分之一。后來(lái)IMB和神岡實(shí)驗(yàn)測(cè)量μ中微子與電子中微子的比值（粗略地說(shuō)，這個(gè)比值為2）比預(yù)期值低40%，比值的計(jì)算精度為5%。最新的結(jié)果來(lái)自于日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到μ和電子中微子的比值隨這些中微子自產(chǎn)生點(diǎn)走過(guò)的距離而變化，原因可以解釋為μ中微子流強(qiáng)從產(chǎn)生點(diǎn)隨不同的天頂角而產(chǎn)生了調(diào)制，探測(cè)器自下而上觀測(cè)到的中微子由于穿過(guò)了地球，這些中微子的數(shù)目比來(lái)自于探測(cè)器上方大氣頂端的中微子約少了一半。這個(gè)觀測(cè)值非常依賴于中微子穿行的距離，清楚地說(shuō)明了中微子存在振蕩。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果中電子中微子的流強(qiáng)不隨角度變化，說(shuō)明振蕩的末態(tài)是另外一種中微子，比如說(shuō)t中微子。來(lái)自加拿大SNO實(shí)驗(yàn)有關(guān)太陽(yáng)中微子的測(cè)量進(jìn)一步給出了存在電子中微子振蕩的證據(jù)（右圖為SNO的探測(cè)器），這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同種類(lèi)的中微子有一定的靈敏度，利用超級(jí)神岡比較高的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，相比較后給出太陽(yáng)上產(chǎn)生的電子中微子在到達(dá)地球時(shí)包含了其它中微子的結(jié)論，因此說(shuō)明了中微子有質(zhì)量，有振蕩。

KAMLAND測(cè)量周?chē)?0多個(gè)核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子事例，觀測(cè)到的事例只有預(yù)期值的60%，用人工中微子源的方式也證實(shí)了中微子的消失，且其特征與太陽(yáng)中微子消失相同，確認(rèn)太陽(yáng)中微子發(fā)生了振蕩。

目前得到的中微子存在質(zhì)量的證據(jù)還不足夠強(qiáng)，或者說(shuō)參數(shù)測(cè)量還不精確，因此進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)是必需的。建造地下實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)測(cè)量由實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的中微子束流，或者測(cè)量從地球上不同角度來(lái)的中微子流強(qiáng)是否存在丟失，或者直接測(cè)量到中微子發(fā)生振蕩的末態(tài)都可以達(dá)到這個(gè)目的，通過(guò)中微子束流的方法作測(cè)量經(jīng)歷了反應(yīng)堆、短距離、中距離到長(zhǎng)距離的過(guò)程，這些測(cè)量仍然還在繼續(xù)，原因是至少存在三代中微子的條件下，它的混合矩陣中參數(shù)比較多，由于實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)性、中微子能量、實(shí)驗(yàn)距離、探測(cè)器優(yōu)化等問(wèn)題的限制，很難設(shè)計(jì)或者進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)而能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)未知參數(shù)作測(cè)量。

中微子振蕩的測(cè)量是一個(gè)很復(fù)雜的物理，它不可能通過(guò)一兩個(gè)實(shí)驗(yàn)給出全部參數(shù)的測(cè)量，而且通過(guò)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)作改進(jìn)也不可能將測(cè)量的精度提高多少，留待更精確測(cè)量的工作還很多，需要建設(shè)強(qiáng)流的中微子源，如中微子工廠，或叫μ子貯存環(huán)。著眼于未來(lái)中微子工廠的μ子能量為20GeV—50GeV，每年產(chǎn)生大于10¹⁹的μ衰變，預(yù)期需要超過(guò)2000公里的振蕩基線，一到兩萬(wàn)噸的探測(cè)器體積將可以給出好的物理結(jié)果。在未建成中微子工廠前通過(guò)增加質(zhì)子加速器流強(qiáng)來(lái)增加中微子流強(qiáng)的辦法進(jìn)行長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)。如正在運(yùn)行的K2K實(shí)驗(yàn)，在未來(lái)幾年內(nèi)將要運(yùn)行的MINOS實(shí)驗(yàn)、ICANOE、OPERA、JHFnu實(shí)驗(yàn)。

由于中微子工廠預(yù)期的流強(qiáng)比現(xiàn)有的普通加速器產(chǎn)生的中微子流強(qiáng)大100倍，因此長(zhǎng)距離測(cè)量中微子振蕩可成為比較現(xiàn)實(shí)的事情。從現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備及基礎(chǔ)看，正在對(duì)中微子工廠做研究的有美國(guó)、歐洲（CERN）、日本三家（左圖為CERN的中微子工廠示意圖）。CERN由于LHC的建設(shè)，在相對(duì)短的一段時(shí)期內(nèi)，對(duì)中微子工廠的研究投入的人力、物力較小。從美國(guó)高能物理的規(guī)劃看，它將直線對(duì)撞機(jī)列在第一位進(jìn)行考慮，以期重新奪回高能物理研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。因直線對(duì)撞機(jī)耗資巨大，中微子工廠相對(duì)來(lái)說(shuō)需要的投資較小，因此日本對(duì)中微子工廠的努力已經(jīng)逐漸有了顯示度，基于FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)原理進(jìn)行μ子貯存環(huán)的研究可以減小對(duì)強(qiáng)場(chǎng)梯度的要求，因而可以大大節(jié)約貯存環(huán)的成本，正在建設(shè)的J-PARC可以進(jìn)一步節(jié)省前級(jí)強(qiáng)流質(zhì)子加速器的費(fèi)用。

我國(guó)科學(xué)工作者與日本同行已經(jīng)就有關(guān)長(zhǎng)基線中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了廣泛的交流，分別各自成立了研究組，完成了進(jìn)行超長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)的報(bào)告，由于地理位置的關(guān)系，從日本到中國(guó)北京或者北京附近的地方直線距離約為2-3千公里，這是一個(gè)既有較小物質(zhì)效應(yīng)，又能夠得到好的物理結(jié)果的距離，這時(shí)中微子工廠的傾角仍小于10^O，因而近點(diǎn)探測(cè)器的建設(shè)還不構(gòu)成太大的困難。

再長(zhǎng)距離的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)也不是沒(méi)有可能，因?yàn)橹形⒆庸S的尺寸畢竟較小，也可以設(shè)想m子貯存環(huán)與地面有一定大小的傾角，如果能夠通過(guò)其它方法不依靠近點(diǎn)探測(cè)器減小測(cè)量的系統(tǒng)誤差，再長(zhǎng)基線的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)也許可行。這就增加了這樣的可能，即未來(lái)中微子工廠也許不是同時(shí)建立束流和探測(cè)器，而是修建束流瞄準(zhǔn)已有的探測(cè)器。這樣的例子已經(jīng)有了，如：

（1）修建CERN的中微子束流瞄準(zhǔn)Gran Sasso的探測(cè)器。

（2）由于已經(jīng)存在了SuperK探測(cè)器，因而K2K束線修建的方向就是已有的目標(biāo)（右圖）。

因此，在中國(guó)建立中微子探測(cè)器是爭(zhēng)取日本將中微子束流指向中國(guó)重要的基礎(chǔ)。

9、用反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子測(cè)量重要參數(shù)θ₁₃

基于中微子工廠考慮的超長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)也許在時(shí)間上還太遠(yuǎn)，不確定性較大。目前國(guó)際上的新熱點(diǎn)是利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子進(jìn)行重要參數(shù)θ₁₃的測(cè)量。到目前為止，實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的中微子混合角中都是大混合角，只有θ₁₃的值很小，僅給出其上限。這些測(cè)量值與三代夸克間的混合角測(cè)量結(jié)果是不同的，它們之間為什么如此不同？有沒(méi)有聯(lián)系？輕子有沒(méi)有CP破壞？T破壞？或CPT破壞?盡管實(shí)驗(yàn)上給出的θ₁₃上限值比較小，但θ₁₃大小與CP破壞成正比，實(shí)驗(yàn)仍有必要對(duì)θ₁₃作更精確的測(cè)量，進(jìn)而測(cè)量CP破壞的大小，這對(duì)我們理解早期宇宙中中微子所起的作用至關(guān)重要，它關(guān)系到有可能解釋物質(zhì)與反物質(zhì)世界的不對(duì)稱之謎。不同于一般的加速器產(chǎn)生m中微子束流的情形，反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子的測(cè)量直接與q₁₃的值有關(guān)，不與其它的參數(shù)相互簡(jiǎn)并，相關(guān)性也很小，因而可以直接對(duì)q₁₃進(jìn)行測(cè)量，利用θ₁₃的值可以結(jié)合加速器產(chǎn)生中微子束流的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定混合角θ₂₃的大小。更重要的是θ₁₃的測(cè)量將有效地決定下一步長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)發(fā)展的方向，為實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃提供依據(jù)。

目前，我們與美國(guó)、香港的同行正探討利用廣東大亞灣反應(yīng)堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以及開(kāi)展以三方為主的國(guó)際合作的可能性。在距大亞灣發(fā)電站約1公里的地方正在新建另一個(gè)發(fā)電站，預(yù)計(jì)它們的總功率將達(dá)到17.4 GW，這是世界上靠得很近的兩個(gè)反應(yīng)堆功率之和中第二大的反應(yīng)堆群（左圖為大亞灣核電站位置示意圖），比現(xiàn)有世界上大部分的地點(diǎn)具有明顯的優(yōu)越性。日本具有世界上功率最大的反應(yīng)堆群，也在考慮利用反應(yīng)堆進(jìn)行θ₁₃的測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)是建立兩到三個(gè)幾十噸至一百噸的完全相同的探測(cè)器，放在離反應(yīng)堆幾百米至~2公里遠(yuǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量，完全相同的探測(cè)器將有效地減小由于反應(yīng)堆元素成分不同、反應(yīng)截面的不確定性、反應(yīng)堆功率大小變化及反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子能量變化、探測(cè)器有效體積和探測(cè)效率等因素帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，將系統(tǒng)誤差的大小控制在0.5%的范圍，將現(xiàn)有CHOOZ給出的θ₁₃測(cè)量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然這個(gè)誤差的要求很小，是一個(gè)高精確度的實(shí)驗(yàn)，具有很大的挑戰(zhàn)性。 

反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)與加速器束流有固定指向的實(shí)驗(yàn)相比較具有很大的優(yōu)越性，擺脫了對(duì)加速器束流的依賴將大大地節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

 鑒于大亞灣具有的優(yōu)越條件，可以實(shí)現(xiàn)低本底測(cè)量，提供了一個(gè)近期開(kāi)展非常有意義的中微子物理研究的機(jī)會(huì)，提供了大陸、美國(guó)、香港零距離合作的機(jī)會(huì)，提供了中國(guó)物理學(xué)家在前沿課題中作出貢獻(xiàn)的機(jī)會(huì)。同時(shí)，通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)建立一支從事非加速器物理研究，進(jìn)行多目標(biāo)地下實(shí)驗(yàn)的隊(duì)伍具有更大的意義。

10、地下實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)展的其他重要研究

太陽(yáng)中微子——太陽(yáng)距地球約一億公里，時(shí)刻釋放出大量的中微子流，這對(duì)研究太陽(yáng)內(nèi)部活動(dòng)十分有用。因?yàn)樵谔?yáng)的核心，光子產(chǎn)生之后會(huì)迅速被折射或吸收，在地球上無(wú)法接收到。由于中微子不帶電，具有超乎尋常的穿透力，極難與其它粒子發(fā)生反應(yīng)，可以在地球上接收這些中微子，研究它們的性質(zhì)，來(lái)推斷太陽(yáng)內(nèi)部的活動(dòng)情況。同時(shí)，太陽(yáng)中微子測(cè)量的探測(cè)器還是一個(gè)極好的超新星探測(cè)器，對(duì)來(lái)自超新星爆發(fā)的中微子到達(dá)時(shí)間、能譜、時(shí)間譜、味道的測(cè)量都極其重要。太陽(yáng)中微子的測(cè)量還對(duì)太陽(yáng)物理檢驗(yàn)提供重要依據(jù)，對(duì)了解太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)鏈的周期活動(dòng)有重要意義。

雙β衰變——自然界遵從CPT對(duì)稱性，對(duì)夸克和輕子，每個(gè)粒子有它的反粒子，它們電荷相反，但質(zhì)量和自旋卻相同。中微子沒(méi)有電荷，正反粒子的反演性質(zhì)并不清楚。雙β衰變可確定中微子的反演類(lèi)型、是否有輕子數(shù)破壞、給出中微子質(zhì)量的標(biāo)度值。

大氣中微子實(shí)驗(yàn)——原初宇宙線的質(zhì)子和核子在到達(dá)大氣頂端時(shí)，發(fā)生強(qiáng)相互作用產(chǎn)生次級(jí)宇宙線，次級(jí)宇宙線中的p（K）發(fā)生衰變,產(chǎn)生一個(gè)電子中微子和兩個(gè)μ子中微子，因此一個(gè)地下探測(cè)器可以同時(shí)測(cè)量來(lái)自地球不同角度的中微子，隨角度的不同，中微子穿過(guò)的距離可以從10公里至13000公里不等，而且從上到下和從下到上的中微子間可以做自洽檢驗(yàn)。通過(guò)大氣中微子的測(cè)量可以測(cè)量中微子的振蕩模式、提高測(cè)量振蕩參數(shù)的精確性、測(cè)量n_t出現(xiàn)（Super K的結(jié)果支持n_m?n_t振蕩）；可以驗(yàn)證地球的物質(zhì)效應(yīng)；可以測(cè)量幾個(gè)GeV的中微子與核作用的響應(yīng)函數(shù)和裂變產(chǎn)生，這對(duì)核結(jié)構(gòu)理論是有意義的，作用截面的測(cè)量對(duì)超新星和太陽(yáng)中微子問(wèn)題是有意義的。

 暗物質(zhì)研究——微波背景輻射和大尺度結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量使我們不得不接受宇宙中充滿了暗能量和暗物質(zhì)的事實(shí)，地下實(shí)驗(yàn)最有希望確定暗物質(zhì)的組成。物質(zhì)成分的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)重子物質(zhì)強(qiáng)烈地說(shuō)明存在有非重子的物質(zhì)成份，這些物質(zhì)產(chǎn)生于早期熱宇宙中，現(xiàn)在作為一個(gè)物質(zhì)背景而存在，對(duì)宇宙膨脹和大尺度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。除了中微子外，低本底的地下實(shí)驗(yàn)，可尋找中性、弱作用、大質(zhì)量（WIMP）的粒子，比如DAMA實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，云南站事例的檢驗(yàn)，LVD事例的解釋?zhuān)壳爸辽儆?/SPAN>20個(gè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行，幾乎所有的地下實(shí)驗(yàn)室都有一個(gè)以上的實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器除傳統(tǒng)的鍺外，還有液氙、測(cè)量反沖負(fù)離子的TPC等。

超新星中微子探測(cè)——從太陽(yáng)中微子和質(zhì)子衰變實(shí)驗(yàn)中意外紀(jì)錄到1987A超新星的爆發(fā)是一項(xiàng)驚人的成就。Kamioka和IMB合作組同時(shí)測(cè)量到的中微子事例表明重質(zhì)量星發(fā)生坍縮，隨后質(zhì)子中子星冷卻。這些數(shù)據(jù)還對(duì)許多粒子和天體物理給出許多重要的約束。

超新星的理解對(duì)天體物理的很多方面都十分關(guān)鍵，在星系的長(zhǎng)時(shí)間演化中，超新星爆發(fā)提供了重要的能量來(lái)源。超新星可以產(chǎn)生各種味道的中微子。由于高密度，因此在核內(nèi)部形成中微子陷阱，又由于溫度和作用的不同，不同味道的中微子具有不同的能量，因此對(duì)中微子的測(cè)量可以研究中微子的振蕩效應(yīng)，物質(zhì)效應(yīng)，超新星機(jī)制；當(dāng)質(zhì)子中子星冷卻時(shí)，有可能坍縮成為黑洞，對(duì)應(yīng)的中微子光變曲線發(fā)生截?cái)?；同時(shí)對(duì)引力波，光學(xué)和中微子信號(hào)的測(cè)量可以對(duì)超新星的坍縮機(jī)制形成多方的約束。河內(nèi)的超新星爆發(fā)頻率為每30年一個(gè)。探測(cè)器需要能夠測(cè)量能譜、味道隨時(shí)間的變化，能夠測(cè)量帶電流和中性流作用，方向的測(cè)量也是重要的，它可以很快地為光學(xué)觀測(cè)提供幫助。

核天體物理研究——核天體物理研究和測(cè)量恒星系統(tǒng)演化不同階段的靜態(tài)核燃燒過(guò)程、時(shí)間跨度和爆炸的起始狀態(tài)，研究的另外一方面是新星的核合成，X射線爆和超新星。核天體物理模型精度的提高要求截面測(cè)量精度的提高。由于極低的事例率，在地面測(cè)量有很大的本底。因此在地下建立一個(gè)加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行反應(yīng)截面的測(cè)量將具有極大的競(jìng)爭(zhēng)能力。（右圖為意大利的Gran Sasso多學(xué)科地下實(shí)驗(yàn)室）

質(zhì)子衰變——現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的質(zhì)子壽命為大于10³³年，但質(zhì)子的穩(wěn)定性從上世紀(jì)七十年代起一直受到質(zhì)疑，自那時(shí)起理論家就開(kāi)始構(gòu)想將夸克和輕子統(tǒng)一起來(lái)的強(qiáng)、電和弱相互作用的大統(tǒng)一理論。超對(duì)稱的大統(tǒng)一理論在～10¹⁶GeV附近能夠?qū)⑷齻€(gè)相互作用匯聚起來(lái)。百萬(wàn)噸的探測(cè)器同時(shí)可以進(jìn)行長(zhǎng)基線中微子振蕩測(cè)量、測(cè)量CP破壞，可以進(jìn)行大氣、太陽(yáng)和超新星中微子的實(shí)驗(yàn)。

地球科學(xué)——地下巖洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，時(shí)間與周?chē)h(huán)境的影響以及與理論模型的比較。這些研究對(duì)于長(zhǎng)壽命核廢料的儲(chǔ)存和今后洞穴的設(shè)計(jì)都有意義。

微生物學(xué)——研究生物群在非原生和苛刻環(huán)境下的生存能力和活動(dòng)能力；研究本地微生物群和周?chē)h(huán)境對(duì)它們的影響；研究深層地下有液體的斷層和巖石斷層間生物群的差別，以此考察生物群在極端環(huán)境下的生存。

精密核分析——低本底材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,用于下一代的雙β衰變，暗物質(zhì)尋找和太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)。也有可能生產(chǎn)高純度的材料應(yīng)用于商業(yè)。

11、中國(guó)需要盡快部署國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)

基于中微子工廠的長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)要到2015年左右或之后進(jìn)行，原因在于中微子振蕩實(shí)驗(yàn)才剛剛開(kāi)始，對(duì)中微子物理的參數(shù)的測(cè)量剛起步，因中微子作用的截面小，事例的統(tǒng)計(jì)性不容易增大，參數(shù)的測(cè)量還不夠精確，對(duì)中微子的性質(zhì)還遠(yuǎn)稱不上了解，在現(xiàn)階段，特別是θ₁₃的大小不清楚，目前開(kāi)始進(jìn)行長(zhǎng)基線中微子振蕩的設(shè)計(jì)還為時(shí)尚早。正因如此，才有我們進(jìn)行中微子振蕩實(shí)驗(yàn)的機(jī)遇，在國(guó)外一個(gè)這樣大的探測(cè)器預(yù)制研究加制作的時(shí)間也要三至五年，我們?cè)缫稽c(diǎn)開(kāi)始儲(chǔ)備人才、儲(chǔ)備技術(shù)是十分必要的。

為了更快地趕上中微子物理研究的前沿，在中微子工廠建設(shè)之前在國(guó)內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)堆電子中微子的測(cè)量從時(shí)間上說(shuō)是可行的，約3-5年左右的建設(shè)時(shí)間就可以進(jìn)行物理測(cè)量。在這個(gè)時(shí)間段中，不用考慮國(guó)際上的加速器中微子實(shí)驗(yàn)會(huì)對(duì)θ₁₃的測(cè)量形成競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)?/SPAN>θ₁₃的測(cè)量需要進(jìn)一步提高加速器的流強(qiáng)，真正實(shí)現(xiàn)這樣的條件還有較多的困難。

大部分地下實(shí)驗(yàn)的研究項(xiàng)目都不需要加速器，可以省去建造大型加速器所需的巨額經(jīng)費(fèi)，符合中國(guó)的國(guó)情。中國(guó)的國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室，首先應(yīng)考慮選擇合適的地點(diǎn)，可以從中微子振蕩實(shí)驗(yàn)和其它宇宙線地下實(shí)驗(yàn)起步，以長(zhǎng)遠(yuǎn)、可更新、多學(xué)科綜合為目標(biāo)，著眼于有重大物理意義的課題，分階段進(jìn)行建設(shè)。抓住粒子天體物理剛開(kāi)始發(fā)展，國(guó)際上還沒(méi)有取得有突破性進(jìn)展的時(shí)機(jī)，爭(zhēng)取做出有實(shí)質(zhì)意義的貢獻(xiàn)。

結(jié)論是：從戰(zhàn)略需求分析，中國(guó)應(yīng)盡快部署國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)！

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