2012年，大亞灣實(shí)驗(yàn)首次測(cè)得了中微子第三個(gè)混合角θ??的數(shù)值為8.8°±0.8°。今年4月21日，刊登于《物理評(píng)論快報(bào)》的最新論文更新了該值，提高了測(cè)量精度的θ??的數(shù)值為8.5°±0.1°。4月24日，大亞灣實(shí)驗(yàn)榮獲2023年度歐洲物理學(xué)會(huì)高能與粒子物理獎(jiǎng)。如何理解這一突破呢？

中微子是一種非常輕的、不帶電的基本粒子，它只參與弱相互作用和引力相互作用。中微子有三種不同的“味”，分別是電子中微子、μ子中微子和τ中微子。這三種味的中微子可以通過(guò)弱相互作用與對(duì)應(yīng)的輕子相互轉(zhuǎn)化，比如反電子中微子與質(zhì)子發(fā)生逆β衰變產(chǎn)生正電子和中子。

然而，中微子還有另一種更神奇的轉(zhuǎn)化方式，那就是中微子振蕩。這是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，是指中微子在空間中傳播時(shí)會(huì)在不同味之間轉(zhuǎn)變。1957年，理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫首次提出了中微子振蕩的猜想，爾后一連串的實(shí)驗(yàn)皆觀察到這一現(xiàn)象。

要理解中微子振蕩的原理，我們需要知道兩件事情：一是中微子有質(zhì)量，二是中微子的味本征態(tài)和質(zhì)量本征態(tài)不完全相同。

根據(jù)狹義相對(duì)論，沒(méi)有質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動(dòng)。如果中微子沒(méi)有質(zhì)量，那么它們就不能改變自己的速度，也就不能發(fā)生振蕩。但是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，中微子確實(shí)有非零的質(zhì)量，盡管它們非常小。目前還沒(méi)有直接測(cè)量出中微子的絕對(duì)質(zhì)量，但是可以通過(guò)觀測(cè)它們之間的質(zhì)量平方差來(lái)推斷它們的相對(duì)質(zhì)量。

在粒子物理學(xué)中，本征態(tài)是指一個(gè)物理系統(tǒng)在某個(gè)可觀測(cè)量上具有確定值的狀態(tài)。例如，在味可觀測(cè)量上具有確定值e、μ或τ的中微子就是味本征態(tài)，在質(zhì)量可觀測(cè)量上具有確定值m1、m2或m3的中微子就是質(zhì)量本征態(tài)。

如果這兩種本征態(tài)完全重合，那么就不存在中微子振蕩。但是實(shí)際上，這兩種本征態(tài)是由一個(gè)幺正矩陣U相聯(lián)系的，這個(gè)矩陣被稱(chēng)為PMNS矩陣，它可以描述中微子的味和質(zhì)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。PMNS矩陣包含三個(gè)混合角θ??、θ??和θ??以及一個(gè)CP破壞相位δ來(lái)參數(shù)化。

混合角是描述中微子振蕩強(qiáng)度的重要物理量，它們反映了不同味道的中微子之間的耦合程度。這些混合角是不能從理論上預(yù)測(cè)的，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量。在三個(gè)混合角中，θ??和θ??早就測(cè)量出來(lái)，而θ??是最難測(cè)量的一個(gè)，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)的值非常小。但是θ??對(duì)于探測(cè)CP破壞相角δ和確定中微子質(zhì)量次序（即三種質(zhì)量本征態(tài)之間的大小關(guān)系）具有重要意義，因此測(cè)量θ??是一項(xiàng)極其重要又極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

那么，如何測(cè)量這些參數(shù)呢？一般來(lái)說(shuō)，有兩種方法：一種是利用自然界產(chǎn)生的中微子源，如太陽(yáng)、宇宙射線(xiàn)和大氣層等；另一種是利用人工制造的中微子源，如反應(yīng)堆、加速器和放射性同位素等。(www.Ws46.com)

不同的中微子源有不同的能譜和強(qiáng)度，因此可以探測(cè)不同的振蕩模式和頻率。通過(guò)比較不同距離處探測(cè)到的中微子信號(hào)，我們可以計(jì)算出中微子振蕩的概率，并從中提取出相關(guān)的參數(shù)。

大亞灣實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，它利用廣東省的核電站產(chǎn)生的電子反中微子，通過(guò)八個(gè)探測(cè)器分別布置在三個(gè)不同的距離上，測(cè)量電子反中微子的存活概率和消失概率，從而測(cè)量中微子混合角θ??。大亞灣實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比不同距離上探測(cè)器觀測(cè)到的電子反中微子數(shù)目，以及它們的能譜分布，來(lái)擬合出θ??的最佳值和誤差范圍。