中微子物理學(xué)在未來物理學(xué)的舞臺占據(jù)了中央位置，神出鬼沒的幽靈粒子粒子物理學(xué)下一個階段研究的重點對象。近日，一個科學(xué)小組發(fā)布了一份頗有影響的科學(xué)報告，中微子研究將是未來科學(xué)研究的重點項目，粒子物理學(xué)的優(yōu)先項目被簡稱為P5，科學(xué)小組在報告中呼吁，在未來的10年或更長的一段時間，聯(lián)邦政府投入數(shù)十億美元，啟動國際科學(xué)合作的方式，盡早建成和運行P5項目。聯(lián)邦政府的高能物理學(xué)咨詢委員會接收并審議了報告，一旦科學(xué)小組的報告通過咨詢委員會的評估，那么這份報告將成為政府的指導(dǎo)性文件，美國能源部和科學(xué)基金會將要注入主要的項目資金，為中微子物理研究提供經(jīng)費的支持。

P5項目確立了中心內(nèi)容，制定一個總額為15億美元的國際合作科學(xué)計劃，計劃投入15億美元，建成一個大型的長基線中微子實驗室，伊利諾伊州的費米國家加速實驗室將作為中微子實驗室的總部。過去的兩年，科學(xué)家已在費米實驗室進行了中微子實驗，積累了不少實驗數(shù)據(jù)?？茖W(xué)小組在報告呼吁，在費米國家實驗室建造一個強大的粒子加速器，通過大型加速器產(chǎn)生中微子和反中微子聚的焦束，正反中微子將輕易地穿越800英里長的地殼，直接移動到下一個中微子實驗室，計劃在南達科他州的桑德福建造一個地下探測實驗室。用于檢測中微子在傳輸過程中的特性，尋找中微子和反中微子特性不同的線索。

?長期以來，科學(xué)家遇到了一個難題，在我們可觀測的宇宙中，物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量出現(xiàn)了不平衡，物質(zhì)數(shù)量占了絕大多數(shù)，觀測到的主要是普通物質(zhì)和暗物質(zhì)，發(fā)物質(zhì)去向不明，“反物質(zhì)都去哪兒了”成了物理學(xué)家最關(guān)注的問題之一。LHC將作為P5的實驗樣板，科學(xué)小組在報告中呼吁，聯(lián)邦政府投入大約10億美元的經(jīng)費，項目建設(shè)周期擬定為10年，國際合作伙伴投入5億美元。國際性技術(shù)和資金合作的長基線中微子實驗室項目被稱為LBNF，總體的項目規(guī)劃與投資了100億美元的歐洲大型強子對撞機十分相似，LHC位于法國和瑞士的邊境，歐洲核子物理實驗室負責(zé)大型機器的管理和運行。

?圣克魯茲粒子物理研究所的物理學(xué)家史蒂文·里茨擔(dān)任P5項目的主席，P5科學(xué)小組召集了20多位世界各地的物理學(xué)家，歐洲核子中心（CERN）的物理學(xué)家參入其中。費米實驗室將成為中微子項目的總部，多個國家的科學(xué)機構(gòu)協(xié)同配合，共同推動中微子科學(xué)項目的進展，國際科學(xué)的合作方式在LHC實驗室取得了成功。除了研究中微子的特性，中微子物理學(xué)有廣泛的粒子物理學(xué)的研究價值?？茖W(xué)家終于發(fā)現(xiàn)了神秘詭異的希格斯玻色子，這是LHC實驗室取得的最大成果。LHC即將完成設(shè)施的維護和升級工程，持續(xù)承擔(dān)檢測希格斯粒子特性的進一步研究，LHC進行了設(shè)備升級，將會在暗物質(zhì)、暗能量和宇宙膨脹等科學(xué)探索領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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日本對主持建造國際線性對撞機（LLC）表現(xiàn)出了濃厚的興趣，LLC被認為是LHC的重要補充，LLC的基本工作原理是實現(xiàn)電子和反電子束的對撞，經(jīng)過正負電子的對撞，電子和正電子束的能量被加速到1萬億電子伏特。一旦日本的LLC實驗室項目取得成功，那么美國科學(xué)家只能在其中扮演輔助和支持的角色。中微子將在未來物理學(xué)中扮演中心角色。日本大約從2018年開始實施LBNF項目，2020年左右達到項目建設(shè)的高峰期，歐洲原子能中心的LHC實驗室處于緩慢的下降期，日本將按預(yù)定的目標(biāo)實施LBNF項目，國際合作的科學(xué)小組將會考慮主要采用歐洲LHC的建造和運行模式，首先完成所有的規(guī)劃和方案，項目目前進入了可行性研究階段。

?在希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)之后，中微子被認為是下一階段物理學(xué)領(lǐng)域前沿的研究對象，中微子與其它的亞原子粒子僅發(fā)生微弱的相互作用，就像暗物質(zhì)粒子和普通物質(zhì)粒子之間不發(fā)生或只發(fā)生微弱的相互作用。中微子事實上含有一丁點物質(zhì)，它的質(zhì)量不為零，極微小的質(zhì)量有助于解釋中微子形態(tài)的轉(zhuǎn)化，極其輕盈的中微子在宇宙空間穿行時會發(fā)生“風(fēng)味”的變化，中微子搖擺也被物理學(xué)家稱為中微子震蕩，它是不帶電、質(zhì)量極微小的基本粒子。

?中微子有三種類型：電子中微子、繆子或μ中微子和陶子或τ中微子，在目前已知物質(zhì)世界的12種基本粒子中，中微子的種類占了四分之一，中微子在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源與演化中扮演了極其重要的角色。中微子有一個特殊的性質(zhì)，在傳送過程中，從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型或發(fā)生中微子振蕩，三種中微子相互振蕩，兩兩組合，似乎形成了震蕩的三種模式，自上世紀(jì)的60年代以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩種震蕩模式的跡象?！疤栔形⒆又i”和“大氣中微子之謎”已得到實驗的證實，日本物理學(xué)家由此獲得了2002年的物理諾獎，但中微子的第三種振蕩模型有待發(fā)現(xiàn)。

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2012年3月8日，大亞灣中微子實驗室的國際合作組在北京宣布，他們測量了振蕩的幾率，在大亞灣中微子實驗室發(fā)現(xiàn)了新型的中微子振蕩模式，對粒子物質(zhì)的基本規(guī)律有了新的認識，這一重要的發(fā)現(xiàn)將對中微子物理學(xué)的未來方向產(chǎn)生決定性的影響，對破解宇宙反物質(zhì)的消失之謎帶來幫助。大亞灣實驗成果有十分重要的科學(xué)意義，深入了解中微子的基本特性，有必要進行下一代的中微子實驗，找到宇宙物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱的內(nèi)在原因。2012年12月20日，《科學(xué)》雜志公布了當(dāng)年的十大科學(xué)突破，大亞灣中微子實驗室發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，這一重要發(fā)現(xiàn)登上了榜單。

?《科學(xué)》雜志發(fā)表評語：“如果物理學(xué)家不能發(fā)現(xiàn)超越希格斯玻色子的新的粒子，那么中微子物理就會代表粒子物理學(xué)的未來，大亞灣實驗室的成果標(biāo)志了這一領(lǐng)域的起飛時刻?！绷Ｗ游锢韺W(xué)家對中微子震蕩模式產(chǎn)生了特別的興趣，如果中微子和反中微子在傳輸途中發(fā)生了“風(fēng)味”的變化，那么這意味著物質(zhì)和反物質(zhì)的鏡面對稱性發(fā)生了意想不到的破裂。費米實驗室的喬·萊肯加入了P5科學(xué)小組，他認為理論物理學(xué)家從優(yōu)雅的理論模型做出推斷，中微子與物質(zhì)和反物質(zhì)的對稱性破缺有關(guān)聯(lián)性。

?LBNF實驗項目有可能為物質(zhì)和反物質(zhì)的對稱性破缺帶來決定性的證據(jù)，就像LHC實驗項目為希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)帶來了決定性的證據(jù)。LBNF的實驗數(shù)據(jù)將為物理學(xué)家展示物質(zhì)世界探索的新視野，物質(zhì)和反物質(zhì)在宇宙誕生的早期發(fā)生了一場“大戰(zhàn)”，物質(zhì)最終取得了勝利，少量的遺存物質(zhì)形成了可觀測宇宙中的各類星體。有些簡單而直接的理論模型假定，物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量相等或數(shù)量相等，性質(zhì)相反，物質(zhì)和反物質(zhì)嚴(yán)格遵循對稱性法則。

?如何解釋神秘性的中微子震蕩？這是LBNF實驗室的最大“看點”，LBNF實驗項目可能取得某種不可預(yù)見的成果，任何人在任何時候進入中微子物理學(xué)的研究領(lǐng)域，他們都會感受意想不到的驚奇。物理學(xué)家意見一致，共同研究一個關(guān)乎物理學(xué)未來的課題，盡管困難重重，物理學(xué)家偏好各自的研究領(lǐng)域，人們很難判斷某個領(lǐng)域代表未來物理學(xué)的發(fā)展方向，但中微子物理學(xué)似乎是個例外，P5科學(xué)小組的報告幾乎沒有引起爭議，物理學(xué)家一致認為，中微子在未來物理學(xué)的研究中處于優(yōu)先的地位，大型中微子實驗室的建造經(jīng)費巨大，各國的科學(xué)家組成一個龐大的合作團隊，達成共識的選擇激動人心，P5科學(xué)小組制定了實驗室工程建設(shè)的基本思路和方案，這一科學(xué)工程承載了物理學(xué)家未來的夢想，各國科學(xué)家在協(xié)作中力爭把藍圖變成現(xiàn)實。

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（編譯：2014-5-28）

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