1998年，日本超級(jí)神岡首次報(bào)道了在研究大氣中微子中發(fā)現(xiàn)存在中微子振蕩的明顯證據(jù)，推斷中微子具有質(zhì)量。而從KEK到神岡的長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)為K2K）對(duì)此推斷的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，獲得了最新結(jié)果。

K2K實(shí)驗(yàn)的目標(biāo) 

當(dāng)中微子有非零質(zhì)量和混合時(shí)，在三個(gè)已知"味"的中微子中產(chǎn)生中微子振蕩。在這些情況下，味狀態(tài)是質(zhì)量態(tài)的混合態(tài)，中微子可能會(huì)隨著時(shí)間改變其明顯的味道，譬如從KEK到神岡的飛行時(shí)間里。在現(xiàn)行基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型里，中微子質(zhì)量被假設(shè)為零。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)和非零中微子質(zhì)量需要一種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，中微子質(zhì)量明顯小意味著大能量范圍的物理。K2K實(shí)驗(yàn)的目的是確認(rèn)用大氣中微子觀測(cè)到的中微子振蕩現(xiàn)象和更精確地確定中微子振蕩參數(shù)（質(zhì)量差和混合角度）。（k2k是一項(xiàng)國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)，參與該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的有來(lái)自10個(gè)國(guó)家30所大學(xué)和研究所的科學(xué)家） 

實(shí)驗(yàn)方法 

K2K中微子束流是由KEK的12 GeV質(zhì)子加速器提供的。這些人為形成的中微子幾乎全是謬子-中微子，這點(diǎn)已被KEK近探測(cè)器的數(shù)據(jù)所證實(shí)。KEK近探測(cè)器在中微子產(chǎn)生后和中微子振蕩效應(yīng)可以見(jiàn)到之前，測(cè)量中微子束流的亮度和能譜。束流被引向距KEK250公里遠(yuǎn)的超級(jí)神岡探測(cè)器。中微子束流的能譜類(lèi)似大氣中微子的能譜，長(zhǎng)基線實(shí)驗(yàn)可以使我們檢驗(yàn)在大氣中微子中觀測(cè)到的中微子振蕩效應(yīng)。（左圖為 K2K實(shí)驗(yàn)說(shuō)明。高純度謬子中微子束流在約1 GeV時(shí)有很廣的能譜，由KEK的加速器產(chǎn)生，通過(guò)地下引到250公里遠(yuǎn)的超級(jí)神岡。）

K2K實(shí)驗(yàn)是第一個(gè)真正的長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，將中微子束流引向遙遠(yuǎn)場(chǎng)地的探測(cè)器。中微子束流脈沖的寬度為一秒鐘的百萬(wàn)分之幾，每2.2秒從KEK發(fā)送到超級(jí)神岡。束流的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)使其能夠?qū)⑹髦形⒆拥南嗷プ饔门c大氣中微子的相互作用區(qū)別開(kāi)來(lái)。 

數(shù)據(jù)分析和結(jié)果 

K2K實(shí)驗(yàn)利用KEK的近探測(cè)器（左圖）測(cè)量中微子束流的流強(qiáng)和能譜，然后測(cè)量在超級(jí)神岡的遠(yuǎn)探測(cè)器的任何差別。通亮的差別或能譜畸變提供中微子振蕩的證據(jù)。自1998年開(kāi)始取數(shù)據(jù)以來(lái)，數(shù)據(jù)分析不斷得到改進(jìn)，對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)的了解不斷加強(qiáng)。到2004年5月分析所有數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果如下： 

一、在超級(jí)神岡觀測(cè)到了108個(gè)事例，而對(duì)不振蕩假設(shè)的期望數(shù)字是150.9 (+11.6, -10.0)。 

二、所觀測(cè)到的中微子譜顯示的正好是中微子振蕩效應(yīng)期待的畸變類(lèi)型。 （右圖說(shuō)明了在超級(jí)神岡鑒別KEK束流感應(yīng)事例的方法。圖中顯示在超級(jí)神岡和KEK分別在微秒時(shí)間內(nèi)從GPS觀測(cè)到的事例時(shí)間和期望束流到達(dá)時(shí)間之間的差別。在顯示的時(shí)間窗口中，產(chǎn)生大氣中微子背景事例有一個(gè)可忽略的概率，最近的這樣事例超過(guò)120微秒）

（左上圖是在超級(jí)神岡觀測(cè)到的中微子能譜畸變（數(shù)據(jù)點(diǎn)）與縮制的KEK束流能譜（黑圖）比較，代表沒(méi)有中微子振蕩時(shí)的人們的期待。利用K2K最佳擬合參數(shù)，考慮到中微子振蕩效應(yīng)紅色圖），還顯示出期望譜。

右上圖是新的K2K結(jié)果（綠色），2種（m-t）中微子振蕩參數(shù)（質(zhì)量平方差和混合參數(shù)）有90%可信度的圈區(qū)與超級(jí)神岡大氣中微子（黑色）結(jié)果的比較。）

結(jié)論 

根據(jù)這些結(jié)果，得出以下結(jié)論： 

一、如果沒(méi)有振蕩，因統(tǒng)計(jì)的波動(dòng)，只觀測(cè)到108個(gè)事例，可忽略能譜畸變的概率（10^-4）。 

二、K2K結(jié)果與超級(jí)神岡以前發(fā)表的大氣中微子振蕩所期待的結(jié)果一致?，F(xiàn)在有足夠的數(shù)據(jù)觀測(cè)遠(yuǎn)、近探測(cè)器能譜之間的巨大偏差，這些偏差只能歸因于中微子振蕩效應(yīng)。 

未來(lái)展望 

2004年10 月開(kāi)始，K2K將又有一束流運(yùn)行，2005年3月結(jié)束。當(dāng)新的數(shù)據(jù)不會(huì)大量增加實(shí)驗(yàn)總統(tǒng)計(jì)量的時(shí)候，對(duì)探測(cè)器響應(yīng)和系統(tǒng)進(jìn)行研究就非常重要。 

KEK 12 GeV質(zhì)子同步加速器將于2005年停機(jī)，以便為建造新的J-PARC（日本散裂中子源）50 GeV質(zhì)子加速器作好人員和設(shè)備的準(zhǔn)備。計(jì)劃在J-PARC上做的主要實(shí)驗(yàn)之一是T2K (Tokai to Kamioka)（東海到神岡），即下一代長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)。該臺(tái)新加速器在事例率上提高了100倍，可以用來(lái)更詳細(xì)地研究中微子振蕩和有關(guān)現(xiàn)象。 

一個(gè)新的閃爍條形(SciBar)探測(cè)器系統(tǒng)已安裝在了K2K近探測(cè)器上，并于2003年9月進(jìn)行了調(diào)試。SciBar可以部分地作為T(mén)2K實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵探測(cè)器元件正在工作的原體。2004-2005年度的K2K運(yùn)行將極大地增加SciBar數(shù)據(jù)，還將研究束流打靶和控制，為T(mén)2K實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。最后，將利用下一次運(yùn)行在K2K近探測(cè)器上完成各種背景和刻度測(cè)量。 

K2K和T2K實(shí)驗(yàn)探索粒子物理和天文物理方面的基本問(wèn)題，在這些領(lǐng)域里，仍有許多未解決的問(wèn)題，例如CP破壞的發(fā)現(xiàn)，它與宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)的起源密切相關(guān)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，科學(xué)家要對(duì)這些不解之謎進(jìn)行挑戰(zhàn)。

（高能所科研處制作 材料由侯儒成譯自日本高能加速器研究組織和東京大學(xué)宇宙線研究所網(wǎng)頁(yè)）