太阳中微子振荡参数的精确测量和次级效应分析

论文摘要

1930年,Pauli在试图解释β衰变实验中出现的能量不守恒现象时提出了中微子假说。自此以后,这个神秘的粒子一直吸引着众多物理学家的关注,对它的研究也极大地推动了整个粒子物理学科的进展。中微子的质量接近为零,它只参与弱相互作用,且反应截面极小;这些性质使得人们针对它的探测极其困难。自从被提出以来,直到26年后的1956年,才由Reines和Cowan首次探测到了来自反应堆的反电子中微子。之后的50年内,μ子中微子和τ子中微子相继被发现,这三种中微子一起构成了目前我们所熟悉的活跃中微子家族。基于现在的认识,中微子有着非简并的质量,并且存在混合。于是,它在传播过程中会发生味转化,即中微子振荡现象。在已知有三代活跃中微子存在的情况下,接下来我们需要了解的是:中微子有着怎样的质量谱和混合矩阵?这是粒子物理中一个基本且极其重要的问题,它的答案需要从探测中微子绝对质量的实验以及各种类型的中微子振荡实验中获得。一旦我们精确地了解了质量谱和混合矩阵的具体结构之后,就可以由此入手研究一个更吸引人的问题,那就是位于其背后的中微子质量产生机制。太阳是自然界中中微子的一个重要来源,它所辐射出的大量的中微子是人们用来研究中微子质量谱和混合矩阵的重要对象。最早对太阳中微子进行探测的是美国的Homestake实验,它于1968年公布观测结果,引发了著名的太阳中微子缺失问题。之后,随着各个早期太阳中微子实验的相继加入,局面从最初的扑朔迷离到逐步理清线索。2001年,位于加拿大的SNO实验首次对来自太阳的三种不同味态的中微子的总量进行了测量,这验证了标准太阳模型的预言值,同时也证实了在太阳中微子的传播过程中存在着味转化的机制。随后的长基线反应堆中微子实验KamLAND首次探测到反电子中微子的消失,并最终证实了中微子振荡机制是太阳中微子缺失问题的合理解答。在太阳中微子问题得到解决之后,太阳中微子物理的主要研究方向就转为对中微子振荡参数的精确测量,并在此基础上对实验中可能存在的次级效应进行分析。在本文中,我们首先简要地介绍了太阳中微子的相关历史和现状。接着,我们回顾中微子在粒子物理中的基本内容,包括标准模型对中微子的描述,以及如何在标准模型中合理地加入中微子质量。中微子振荡机制已经被证实为太阳中微子缺失问题的合理解释,作为理论基础,我们在第三章中重点介绍了中微子振荡理论,并给出电子中微子在太阳内部具体传播行为的表述。之后,我们结合目前KamLAND和各个太阳中微子实验已公布的全部实验数据,使用传统的最小方差分析的方法进行实验数据分析,由此得到了中微子振荡参数的最佳拟合值和不同置信度的允许区间。经过对比分析,我们看出,各实验组近期公布的五批最新的数据对振荡参数的允许区间都带来了新的限制。其中SNO加盐相和NCD相数据的加入使得我们对θ1 2的探测精度得到了较大的提高,而KamLAND的新数据则对2Δm 12的探测精度起到了极大的提升作用。对所有相关实验数据进行综合分析之后,我们获得了太阳中微子振荡参数的极其精确的测量结果。在此之外,我们发现,在单独进行分析的情况下,由KamLAND得到的结果与太阳中微子实验的结果存在一定的差异,这表明了在太阳中微子实验中可能存在两味中微子振荡机制之外的次级效应。我们首先对在计算中微子理论预计流量时太阳模型和地球模型可能引入的偏差进行讨论,作为分析次级效应的前提准备。之后,我们在现有实验数据的基础上,利用Monte Carlo的方法模拟出未来可能的数据组,对各个实验探测次级效应的能力进行分析探讨。最后,我们以非零值的混合角θ1 3的影响作为次级效应的来源,分析不同的θ1 3值对实验结果的影响。我们发现,通过选取合适的θ1 3的值,我们可以缓解KamLAND和太阳中微子实验结果之间的差异,这个结论给出了θ1 3不为零的可能暗示。另一方面,通过对实验数据进行三味中微子振荡分析,我们在1σ置信水平下得到了θ1 3不为零的结果,这是一个很有意义的突破。由KamLAND和太阳中微子实验并不能给出对θ1 3的严格限制。对θ1 3进行精确测量是下一代中微子振荡实验的重要任务之一,而我国的大亚湾反应堆中微子实验将在其中起到重要的作用。在本文中,我们对大亚湾实验提出了几种不同的实验方案,并使用不同的分析方法对模拟的实验结果进行分析,研究其可能达到的探测精度,从而为实验具体方案的选取提供参考。在我们的模拟计算中,通过采取合适的方案和分析方法,经过三年运行之后,大亚湾实验能够对大于0.02的2sin 2θ1 3值进行有效的探测。在将来混合角θ1 3得到精确测量的基础上,我们还将会有机会对CP破缺相因子进行探测,这是味物理中一个极其重要的问题。中微子物理是粒子物理中一个年轻而充满活力的研究方向,它的飞速发展带动着整个粒子物理学科的不断进步。与此同时,中微子还在宇宙学中扮演着重要的角色,它对研究宇宙结构的形成,正反物质不对称以及天文探测等都有着极其重要的意义。随着下一代中微子实验的相继进行,我们对中微子质量和混合、以及其他物理性质的认识都将得到大大的加深。可以期待,在不远的将来,这些围绕着中微子的众多有趣的问题将一一得到解决。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 太阳中微子相关问题的回顾与现状
• 1.1 中微子的提出和发现
• 1.2 太阳中微子缺失问题及其振荡解释
• 1.3 太阳中微子振荡参数的测量
• 第二章 中微子的质量和混合
• 2.1 标准模型中的中微子
• 2.2 如何把中微子质量加入标准模型
• 2.3 中微子的质量谱和混合矩阵
• 2.3.1 中微子的质量谱
• 2.3.2 中微子的混合矩阵
• 第三章 中微子振荡
• 3.1 真空中的中微子振荡
• 3.2 均匀物质中的中微子振荡
• 3.3 非均匀物质中的中微子振荡
• 3.4 中微子在太阳内部的传播
• 第四章 标准太阳模型和太阳中微子实验
• 4.1 标准太阳模型
• 4.2 早期的太阳中微子实验
• 4.2.1 Homestake
• 4.2.2 Kamiokande
• 4.2.3 GALLEX/GNO
• 4.2.4 SAGE
• 4.3 Super-Kamiokande
• 4.4 Sudbury Neutrino Observatory
• 4.5 Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector
• 第五章 太阳中微子振荡参数的精确测量
• 5.1 中微子实验中的生存几率计算
• 5.1.1 太阳中微子实验中的生存几率计算
• 5.1.2 反应堆中微子实验中的生存几率计算
• 2统计分析方法'>5.2 实验数据的 χ2统计分析方法
• 5.3 早期太阳中微子实验的结果
• 5.4 截至 2005 年之前的振荡参数分析
• 5.5 太阳中微子实验最新进展和振荡参数的精确测量
• 5.5.1 SNO 加盐相实验完成前后
• 5.5.2 SK 第二相实验完成前后
• 5.5.3 KamLAND 第三期数据前后
• 5.5.4 SNO NCD 相实验完成前后
• 5.5.5 SAGE 第三期数据前后
• 5.5.6 综合目前所有相关实验数据的分析结果
• 第六章 太阳中微子实验的模型依赖性和次级效应分析
• 6.1 太阳中微子实验中可能的次级效应
• 6.1.1 中微子磁矩与太阳磁场的相互作用
• 6.1.2 非标准中微子相互作用
• 6.2 太阳中微子振荡分析的模型依赖性
• 6.2.1 振荡分析对太阳模型的依赖性
• 6.2.2 振荡分析对地球模型的依赖性
• 6.3 实验中次级效应的可见性讨论
• 第7章 混合角θ13 的测量和大亚湾中微子实验模拟
• 13的限定'>7.1 KamLAND 和太阳中微子实验对 θ₁₃的限定
• 7.2 大亚湾反应堆中微子实验的模拟
• 7.2.1 大亚湾中微子实验介绍
• 7.2.2 实验方案设计和数据分析方法
• 7.2.3 实验的模拟和分析结果
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢