王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
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中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
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中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
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中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
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中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
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中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
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為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
當然，歷史上有規劃不正確失去了發展路線，然後失去了發展前景。比如剛才說美國人最早做了IMB但是沒有繼續往下走，然後他又有一個跟日本Hyperk一樣的方案叫Reno，也沒有往下走，所以使得它最終中微子發展非常困難。這也是一些例子有成功和失敗，如果沒有做好，風險也非常大。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
當然，歷史上有規劃不正確失去了發展路線，然後失去了發展前景。比如剛才說美國人最早做了IMB但是沒有繼續往下走，然後他又有一個跟日本Hyperk一樣的方案叫Reno，也沒有往下走，所以使得它最終中微子發展非常困難。這也是一些例子有成功和失敗，如果沒有做好，風險也非常大。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
當然，歷史上有規劃不正確失去了發展路線，然後失去了發展前景。比如剛才說美國人最早做了IMB但是沒有繼續往下走，然後他又有一個跟日本Hyperk一樣的方案叫Reno，也沒有往下走，所以使得它最終中微子發展非常困難。這也是一些例子有成功和失敗，如果沒有做好，風險也非常大。
王貽芳院士獲得了2019年度“未來科學大獎”，過去王院士也曾受邀來到墨子沙龍做粒子物理研究的相關報告，接下來幾天為大家回顧一下王院士的精彩報告。
中微子與我國粒子物理研究-中_【墨子沙龍】王貽芳-中微子與我國粒子物理_騰訊視頻
中微子構成我們物質世界最基本單元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能聽說過，2012有一個電影，地球會被中微子毀滅，這個顯然不是被大家沒有聽說過的東西，應該大家還是比較熟悉的，大家可能也聽說過2011年歐洲核子中心發現中微子可以超光速，當然後來我們知道這個不對，是錯的，是假的，我們知道2015年這兩位得了諾貝爾獎，也是研究中微子的，另外我們大亞灣實驗，也在國際上有一些影響。
中微子至少對很多人來說不是特別陌生，其實中微子存在於我們的周圍，我們超新星或者我們的銀河系、太陽、地球、反應堆，都是中微子源，都可以成為我們用來研究中微子的一個工具，當然我們有加速器也可以人工產生中微子，我們人體也是一箇中微子源，我們人體每天大概會發出3億4千萬中微子，每個人既是中微子源，有可能會對你周圍的人也可以用中微子影響它。
研究中微子跟很多學科領域都有關係，從天體、物理、宇宙學、地質、天文、粒子物理等等都有關係。
中微子是構成物質世界最基本的單元，同時中微子非常奇怪，只有左旋中微子，沒有右旋的中微子。在座都是光學專家，光子有偏正，有左旋有右旋，質量如果為零，就一定存在左右旋兩個偏正態，所以中微子也是一樣，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不滿足宇稱守恆，所以在弱相互作用下是不守恆的。
“
為什麼是弱相互作用？因為中微子只參加弱相互作用，中微子不參加電磁相互作用，不參加強相互作用。所以不存在中微子這件事情，只對弱作用的宇稱守恆有影響，所以只有這麼一個很奇怪的性質，為什麼沒有這個右旋中微子，到現在我們也不知道，這也是要研究的問題。同時在宇宙當中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300個，所以整個宇宙當中每立方厘米300個，所以數量跟光子數一樣多，它的質量的大小，對宇宙的形成演化有巨大的作用，特別是對於形成宇宙當中大尺度的結構，現在我們均勻地去看，往遠處看宇宙還是均勻的，你仔細看宇宙是有結構的，我們有銀河系、太陽系、地球等等。
它是有結構的，這個結構怎麼來的？在宇宙初始大爆炸的時候，有所謂的原始擾動（Fluctuation），實際上跟中微子的質量有密切關係，如果中微子沒有質量的話，這個Fluctuation是不能形成的，也就是說如果中微子質量為零，按照我們現在瞭解，沒有銀河系，沒有太陽系，也沒有在座我們各位，中微子質量跟我們大家的存在有非常密切的關係，極其重要。
中微子的質量
那麼在中微子研究當中核心問題就是質量，這裡面有兩個原因，一個就是在宇宙學當中。大尺度結構的形成跟中微子質量很有關係，大一點小一點宇宙就不是現在這個樣子了，第二個在粒子物理當中，標準模型，我們到現在為止我們也不知道怎麼把中微子寫進去，到現在也不知道。
在1956年的時候，有一位意大利的物理學家Bruno Pontecorvo，他是費米的學生，但是信仰共產主義，1948年、1949年前後從西歐逃到蘇聯，在前蘇聯一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理學家，所以在1956年前蘇聯的杜布納聯合核子研究所，他就寫了一篇文章，他說“中微子有可能有質量”。
中微子如果有質量，質量本徵態和弱作用本徵態如果不一樣，你們在座大部分人都是做量子態的，糾纏態的，所以本徵態應該對你們不是一個很奇怪的概念。所以質量本徵態和弱作用本徵態如果不一致，中微子就會發生震盪，也就是說在飛行當中，一種中微子會變成另外一種中微子，簡單解釋說：我產生的時候是電子中微子，但是這個電子中微子是三種質量本徵態疊加，所以在飛行的過程當中，它的三種態的疊加的比例會發生變化，這個變化就會使它變成另外一種中微子，比如說μ中微子，μ中微子往前走還會變回來，變成電子中微子。所以從量子力學的角度來看，相對來說還很容易理解，就是兩個態的疊加，或者說是量子力學在宏觀上的一個體現，一個表現。
中微子振盪
數學上把它震盪機率寫出來就是兩個Sin函數的相乘，一個是Sin平方2倍的θ，一個是Sine平方里面有一個Delta（M）平方，有一個飛行距離，有一個能量。所以你可以看到，如果質量為零，這一項就為零，這個震盪距離月份為零，永遠不存在。所以這就是為什麼中微子震盪很重要的原因。
我只要知道了中微子有震盪，最起碼我知道中微子質量不為零。因為在目前我們所有的實驗手段去看中微子質量的話，我們完全沒有辦法看到，它到底有沒有質量，因為它的質量太小了，我們實際上實驗的精度要求太高，這是間接測量，量子力學的態在宏觀上體現，它這個質量是間接的測量，我們可以知道它的質量不為零，然後它前面還有一個所謂的係數，實際上是振幅，那也就是說從電子到μ子，到底有多少變過去了，這個是震盪頻率，變過去有多快？如果兩種中微子寫出來就是圖上的公式，三種中微子大概也一樣，可以很容易寫出來。
所以中微子震盪從50年代提出，其實大家就一直沒有把它放在心裡，第一是和標準模型不符，標準模型沒有質量，為什麼要寫出來，沒有必要找麻煩。第二，是做實驗非常難，所以大家沒把它放在心理，但是實際上過程當中有很多實驗證據的，第一個實驗證據，70年代有兩位重要的物理學家，（Ray Davis, John N. Bahcall）這兩個人說太陽為什麼會發出這麼多能量出來，我要搞清楚太陽的發光過程，在這之前說太陽通過聚變產生的能量，他們說我要證明這個東西怎麼辦呢？
相關實驗
我可以去測量中微子，聚變當中一定會發生中微子，把中微子測出來了，我可以發出太陽聚變的模型，他寫出兩篇文章，64年以後籌備做實驗，70年代末開始，實驗一共做20多年，得到兩千多箇中微子，這兩千多箇中微子給出的數據，就是理論和模型比較只有1/3，我看到的中微子，和我預期中微子相比差了3倍，大家說太陽模型錯了，太陽離得那麼遠，你怎麼知道聚變的公式寫出來是對的，大家都認為太陽模型不對，這是從70年代開始的。
80年代的時候，有兩個實驗，一個是日本的叫Kamiokande實驗，現在叫神岡實驗，還有一個美國的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）實驗，這兩個實驗當時要做所謂的質子衰變，因為在80年代的時候有一個理論，就是大統一理論，把電磁弱和強相互作用統一起來了，這個統一理論有一個最重要的預言，質子壽命很短，大概在10的31次方和32次方一年，這個是可以測的，這個數值，所以他們就做了一個幾千噸的水探測器，水裡面有大量的質子，通過這個我來測一側，這個質子是不是真的衰變。當然這個是很重要的事情，質子如果衰變，對我們整個宇宙有巨大的影響。
這兩個實驗做出來，比例不對，理論跟實驗比較，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之後有兩個其他的實驗，說你這個測錯了，我這是對的，我這個是1：1，理論和實驗一樣的，大家搞了十幾二十年以後還是糊塗帳，大家認為中微子震盪這個事情還是不靠譜，當然我們現在知道這個是靠譜的，所以這兩位2002年得了諾貝爾獎，這位瑞·戴維斯（Ray Davis），跟他合作的理論物理學家約翰·帕克爾（John N. Bahcall）很可惜在這之前去世了，否則的話他應該有希望能夠得這個諾貝爾獎。
這個剛才說了兩個實驗，一個是日本的Kamiokande，一個是美國的IMB，但是隻有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了諾貝爾獎。你看他手上抱了兩個20寸的光電倍增管。美國那個實驗也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆發，這兩個實驗，神岡和美國的實驗都看到了超新星中微子，但是諾貝爾獎只給了神岡實驗，沒有給IMB實驗。為什麼？
因為我下面會講，他這個實驗後來又有了所謂後續叫做超級神岡，超級神岡發現了中微子的震盪，因為發現中微子震盪，我們回過頭來知道，大氣中微子反常和太陽中微子消失，都是中微子震盪造成的，所以這兩位得了諾貝爾獎，沒有用中微子震盪的名義，但是用了宇宙中微子，一個太陽中微子，一個超新星中微子，但是因為在2002年的時候，大家還略微一點點疑問說，我是不是可以用非常特殊的太陽模型，非常特殊的大氣模型，來解釋看到的所謂中微子震盪的這個現象。有一點點的不確定性，當然現在我們知道不確定沒有了，確實我們看到了中微子震盪。
在1998年的時候，日本從神岡實驗，就是Kamiokande實驗，已經發展成超級神岡實驗，在1996年開始運行，到1998年的時候，它確切無疑地發現中微子有震盪，這個探測器從早年的3千噸的水，到了5萬噸的水。
我剛才忘了說一件事，日本的超級神岡實驗，跟美國IMB實驗的最大的差別在於這個20寸的光電倍增管，因為日本的實驗比美國的實驗晚一年，探測器比它小一倍以上，但是日本人說我怎麼才能超過美國，所以唯一的辦法是提高我的光探測的靈敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的話，一下子16倍出來了，所以它光的靈敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子數量也遠超過IMB的，它對中微子振盪其他方面測量靈敏度也比它高很多，所以最終它的實驗結果應該說比IMB要好得多，雖然它比它晚了一年左右。
日本人做完了Kamiokande以後他覺得有意思，所以我還得做。他做了超級神岡，從3千噸長到5萬噸，差不多將近20倍左右的探測器大小，還是水。它的探測器相對來說非常簡單，就是把水灌進去，把20寸的光電倍增管給鋪上，20寸光電管差不多1萬多個，大家可以看到人坐著小船，安裝很簡單，不用搭架子，他只要裝水就好了，水上去做個小舢板裝上，如果你要下來，把水放掉你還是可以下來的，技術上相對簡單，也很成功。
他們就是看到從地球下面來的大氣中微子，在飛行的過程當中變少了，從天頂上來的中微子不變，他看到μ子中微子地下來的減少，電子中微子不變，所以這是一個隨距離變化，隨能量變化，隨中微子種類變化，預期到的中微子振盪的現象，跟我們預期完全符合，所以這個實驗我們知道2015年又得了諾貝爾獎，這個從Kamiokande到SuperKamiokande連得了兩個諾貝爾獎，諾貝爾獎給了這一位（梶田隆章），這一位（戶冢洋二）是整個實驗的負責人，SuperKamiokande發言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以諾貝爾獎沒有給他，如果在的話一定給他。梶田隆章只是當時的博士後做了數據分析。
中微子振盪探測方法
2002年中微子振盪是通過太陽中微子實驗得到證實，太陽中微子實驗起始很早，在1985年的時候中國裔的華裔科學家，叫陳華森（Herb Chen）他提出了一個設想，他說你看到的太陽中微子變少了，少了2/3，到哪裡去了呢？他說如果中微子振盪的話，Vμ跟Vτ，你可以用重水來探測它，所以你看到的電子中微子跟重水當中氘發生反應，Vμ跟Vτ也可以跟氘發生反應，所以把重水放進去以後，不同中微子發生不同的反應，我這個是三個方程，這三個方程我解三個參數，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以測出來，這是一個極其巧妙的辦法，我用一個探測器，我把三種不同的中微子通量都把它測出來，以前都只能測一種，剩下的不知道，不知道，可能是振盪了，但是沒有直接測出來。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三種中微子直接測出來。
但是非常可惜陳華森1987年由於白血病去世了，如果他在的話，2015年諾貝爾獎應該是他的，因為這個實驗是他提出的方案，他也是實驗的負責人，一直到他去世，去世以後，是這一位(Arthur McDonald)負責實驗，最後他得了諾貝爾獎，在2002年的時候，他們得到了第一次結果，從這個圖上可以看到，我們看到最終的解，實驗點在這個位置，這個位置告訴你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右電子中微子通量，這個全部加起來正好是1，跟你理論上預言的中微子總數是完全符合的，這個是實驗上直接的證明，我們看到的太陽中微子，真的發生了振盪，而且變成μ跟τ中微子我也看見了，這是中微子震盪的一個確認，這也是為什麼他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的諾貝爾獎。
我們知道中微子有太陽中微子振盪和大氣中微子振盪，這兩個都對了，都測出來了，我們把三種中微子用公式寫出來，發現還有一個震盪，叫做θ13，2002年的時候，我們知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我們要把這個參數給找出來，它是一個最基本的物理過程，也是一個重要的物理參數，理論上對這個參數大小的語言，從0到接近於1，什麼都有的，大家看預言的話，大部分集中在這兒，這個位置大概在0.01到0.1之間。我們當時說這是中微子研究下面一個最重要的問題，需要把它解決。
這個實驗有不同的方法，可以用加速器，也可以用反應堆，我們當時提出來用反應堆實驗做這個事情，來看一看θ13到底是不是為零，如果不為零到底是多少。這個大小對中微子未來發展非常重要，如果θ13真的等於零的話，下一代中微子實驗，比如說你要想做CP破壞，做質量差，那都做不了，後面的這些參數，跟θ13在數學公式裡是相乘的關係，如果乘出來有一個為零，它永遠為零，永遠測不出來，值的大小，跟中微子本身未來發展都有非常重要的意義。
要做的辦法，比較預言和測量之間的一個差，我們提出來這樣的方案做這個實驗，這裡的難處，過去實驗精度3%到6%，我們實驗目標到0.6%，差了差不多10倍，這是一個難點。
我們自己的方案
我們當時的設計跟國際上的比較可以看到還是大亞灣的精度最高，一個是韓國的實驗，一個是法國的實驗，這是起始的實驗點，可以看到我們當時面臨競爭，雖然精度最高，但是有可能落在別人後面，因為他們起始比我們快，最終我們知道θ13的參數在這兒，所以實際上無論Double Chooz還是Reno都有可能在我們前面發現，因為這個值非常大。所以最終的成功應該說，一方面是項目實施在設計、造價技術方面做得還可以，另外一方面我們還是有運氣，因為這個實驗最終做得好不好，一方面在自己，一方面也在別人。別人做得不是特別好的話，你就佔了一點便宜。
因為當年在國內第一次做這樣的大型實驗，還是有很多擔心在裡面。這個實驗也是大型國際合作組，有中美兩國差不多200多個科學家參加，國內也有很多單位支持，也是我們兩國在基礎科學院研究當中，最大的一個合作項目。我們是2003年提出實驗方案，06年才獲得批准，07年開始正式破土動工，一直到2011年基本完成建設，2011年底開始運行取數。
給大家看一些照片。我們建了一個三公里長的地下實驗隧道，有三個實驗大廳，這些都是在靠近核電站的地方，通過爆破完成了建設，這當中受很多很多安全的限制，核電站旁邊爆破振動的話，對核電站的安全運行有重大影響的。這是一些探測器建設過程當中的一些照片，這是5米直徑的鋼管，裡面裝上有機玻璃反射板和有機玻璃的罐子，然後再裝上反射板，裝光電倍增管，然後一直往下的話，最後一直蓋上封好放到水裡。整個探測器安裝，有建水池，有裝光電倍增管，然後裝上罐裝水，把探測器放進去，蓋上蓋子，頂上有一個探測器。
這裡面有大量的技術難題要解決，包括機械、真空、化學化工、極低本底、土建等等，舉一個例子，這樣一個實驗，這麼大規模如果有一克的灰塵落進去，那這個實驗徹底失敗了，所以絕對要保證這裡麵灰塵不能超標。另外三個實驗大廳相互距離差不多有2公里，我們要保證全年溫差不能超過1度，這個技術實驗非常困難。還有你設計的時候要真的想到這個事情，要提這個要求，有時候你沒有想到提這個要求，那實驗很可能失敗，實驗設計過程當中非常重要，作為高能物理實驗，整個過程首先你要有一個科學目標，然後你要設計你的探測器，然後你自己要把探測器建起來，買過來不可能，然後製造出來，獲取數據、得到結果，整個過程都得自己完成，這是高能物理實驗和其他一些實驗可能不太一樣的地方。
在2012年我們看到了反應堆出來的電子反中微子有消失的現象，看到的中微子數，只有我們預期中微子數的94%，也就是說少了6%的中微子，所以它的能譜不是均勻分佈的，它有這樣一個結構，這個結構有一個deep在這兒，正好是我們能譜最大的地方，這正好是我們設計成這樣，這樣靈敏度最高。我們看到五個標準偏差的統計顯著性，θ13是不會為零的，這是第一次測出來θ13的這個參數不為零，同時值在0.092的這個位置。
這個實驗現在還在繼續，從最早的20%的精度到現在已經提高了差不多4%，我們實際上跟日本現在的實驗T2K結合，首次給出了另外一個未知的中微子參數的估計，很可能是負90度，從這張圖上看的話，這個是T2K實驗的結果，所以這個實驗結果跟我們實驗結果相交唯一的點就在這個地方，這個點正好是負90度，或者負1/2π。所以這是第一次知道中微子另外一個振盪參數CP破壞，是有可能在負90度。看到這個精度，大亞灣的實驗和我們競爭對手韓國Reno實驗及法國實驗精度比較，可以看到有巨大的差別，或者質的差別在這兒。
下一步我們要做的是江門中微子實驗，在廣東的江門，下面有兩個核電站，台山和陽江。為什麼要做這樣一個實驗呢？這個實驗距離53公里剛好在震盪的θ第一個就是中微子的質量順序，到現在為止，我們知道中微子的質量，有三種中微子123，它的質量順序有可能是321，從大往小，也可能是213，我們不知道哪個是對的，從實驗上來說我們要證據，這是中微子理論研究上面非常重要的問題，同時也可以測量中微子振盪參數。我們目前的精度大概在3%到10%之間，江門中微子實驗可以做到小於1%，這個量級的提高對尋找超出中微子的新物理有非常重要的意義。
同時研究超新星，剛才說Kamiokande和IMB，他們在1987A的時候，看到了20個超新星中微子，如果在江門中微子30年的壽命期限當中，有一次中微子爆發，距離跟1987A是一樣的話，可以看到2千個中微子甚至到5千個，這是巨大的差別，而且看到中微子的性質，應該說能力比水探測器還要好，因為我們可以區分不同的中微子，他那個只能看一種中微子，所以這個是在超新星中微子方面會有重大的成果，如果正好被我們碰上的話。當然我們也可以研究地球發出中微子，太陽中微子等等。
這個探測器從技術上來說跟大亞灣中微子不一樣，大亞灣中微子， 5米直徑差不多也就100噸，現在我們做的探測器，因為距離遠，我們是50多公里，探測器比以前世界上最大的探測器Kamland大了差不多20倍，它是1000噸，我們是2萬噸的。性能，我們的光產額最少大了5倍，比這個大了2倍，所以性能要好，質量又大，這裡面有巨大的一個技術挑戰。所以看到這個示意圖，這個點大家可能看不清楚，這是一個人的大小。這個探測器直徑43.5米，高44.5米，一個水池，這裡有非常多的技術挑戰在裡面，從來沒有過的，至少國際上沒有的，一個是國內最大的地下洞，也有可能是國際上的，我們也沒有搞清楚，可能是國內最大的。
世界上最大的有機玻璃球，直徑35.4米，所以是10釐米厚左右的有機玻璃，做成一個球，差不多13層樓高，大家可以想象一下有機玻璃球巨大的困難。同時做2萬噸的液體閃爍體，在這之前，國際上做的最好的也是大亞灣，它的透明度差不多是15米，我們現在提高到25米，要提高1倍，再一個我們要做2萬個20英寸的光電倍增管，光電倍增管是中微子實驗當中最核心的一個部分。剛才說日本的Kamiokande最後能超過IMB，就是因為它做出了自己20寸的光電倍增管，這個光電倍增管價格非常貴，差不多得3、5千美元一個，如果我們沒有能力自己做的話，這個實驗最終也是不能實現，因為價格完全不受控制。我們需要解決這個問題，同時探測效率也是世界上最高的，比超級神岡、日本IMB做出來差不多好一倍左右。這是我們2008年在實驗設計方面提出的要求。
到目前為止，通過預言我們大部分都實現了，所以可以開展真正工程工作，比如說從2008年起，我們看到國際上的光電倍增管最高的探測效率25%×60%，差不多15%左右，不能達到要求，我們現在自己提出新的色設計，目標是40%，經過5到8年的努力，我們跟北方夜視等等組成產學研合作組，最後成功做出來了30%，跟我們目標略差一點，同時日本濱鬆也在進步，他們現在做到27%，比我們還差10%左右，相對10%。所以在去年通過招標的，在價格、指標、風險等等各種因素平衡下，我們把合同15000支給了北方夜視，5000支給了日本濱鬆，這個實驗最終把最關鍵的設備，光電倍增管控制在自己的手裡，通過這個實現了國產化。
未來的計劃
時間計劃我們是希望能夠在2020年左右開始運行，所以地下實驗大廳建一個600米深的豎井，1300米深的斜井，然後挖一個地下大廳，工程是非常複雜的事情，目前為止，豎井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快會挖到底開始大廳的建設。江門中微子實驗國際合作組有27個歐洲的單位參加，美洲有一些，亞洲也有很多，包括泰國等，臺灣也參加。國際貢獻差不多10%到20%左右的經費貢獻。
實際上我們還在考慮，江門實驗更遠的未來，2020年完成運行以後，它的壽命應該有30年左右對超新星，但其實在這個中間，我們還可以做另外一件事情，中微子的雙beta衰變，這個探測器當中可以衝一個50噸探測器的氣球，10米直徑。這個探測器在2030年做的時候，可以做雙beta衰變的實驗，那麼它的好處就是本底非常低，靈敏度可以非常高，從表上可以看到，所有的都是目前沒有實現，國際上正在計劃的下一步的實驗，可以看到至少從計劃上來看，我們的目標比他們要好得多，我們是國際上靈敏度最高的一個實驗。
從這裡可以看到，粒子物理實驗的一個關鍵就是要有好的科學目標，要有長遠的規劃，還有非常關鍵的就是有一個Consistent的技術發展路線，就是說你的發展路線是一直這麼下來的。你看日本從Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探測器，同一條技術路線。我們這裡走大亞灣和江門甚至到未來也是走一條液體閃爍體，這條技術路線從2003年開始我們一直可以走到203幾年甚至2050年，這是幾十年的一個技術發展路線，使得我們高能物理實驗能夠一直往前走，而且維持競爭優勢。
當然，歷史上有規劃不正確失去了發展路線，然後失去了發展前景。比如剛才說美國人最早做了IMB但是沒有繼續往下走，然後他又有一個跟日本Hyperk一樣的方案叫Reno，也沒有往下走，所以使得它最終中微子發展非常困難。這也是一些例子有成功和失敗，如果沒有做好，風險也非常大。
《奇妙量子世界 人人都能看懂的量子科學漫畫》
作者：墨子沙龍
上市時間：2019年7月
定價：79元
內容簡介
一本人人都能看懂的漫畫書：
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這裡是墨子沙龍——中國科學技術大學上海研究院於2016年起開始舉辦的公益科普論壇，致力於專業、權威、有深度的沙龍科普活動，每月一次，邀請國內外知名科學家為大家講述科學那些事。關注墨子沙龍，我們在這裡等你來。
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