中微子混合角是什么？大亚湾实验为什么如此重要？

2012年，大亚湾实验首次测得了中微子第三个混合角θ₁₃的数值为8.8°±0.8°。今年4月21日，刊登于《物理评论快报》的最新论文更新了该值，提高了测量精度的θ₁₃的数值为8.5°±0.1°。4月24日，大亚湾实验荣获2023年度欧洲物理学会高能与粒子物理奖。如何理解这一突破呢？

中微子是一种非常轻的、不带电的基本粒子，它只参与弱相互作用和引力相互作用。中微子有三种不同的“味”，分别是电子中微子、μ子中微子和τ中微子。这三种味的中微子可以通过弱相互作用与对应的轻子相互转化，比如反电子中微子与质子发生逆β衰变产生正电子和中子。

然而，中微子还有另一种更神奇的转化方式，那就是中微子振荡。这是一种量子力学现象，是指中微子在空间中传播时会在不同味之间转变。1957年，理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫首次提出了中微子振荡的猜想，尔后一连串的实验皆观察到这一现象。

要理解中微子振荡的原理，我们需要知道两件事情：一是中微子有质量，二是中微子的味本征态和质量本征态不完全相同。

根据狭义相对论，没有质量的粒子必须以光速运动。如果中微子没有质量，那么它们就不能改变自己的速度，也就不能发生振荡。但是实验观测表明，中微子确实有非零的质量，尽管它们非常小。目前还没有直接测量出中微子的绝对质量，但是可以通过观测它们之间的质量平方差来推断它们的相对质量。

在粒子物理学中，本征态是指一个物理系统在某个可观测量上具有确定值的状态。例如，在味可观测量上具有确定值e、μ或τ的中微子就是味本征态，在质量可观测量上具有确定值m1、m2或m3的中微子就是质量本征态。

如果这两种本征态完全重合，那么就不存在中微子振荡。但是实际上，这两种本征态是由一个幺正矩阵U相联系的，这个矩阵被称为PMNS矩阵，它可以描述中微子的味和质量之间的转换关系。PMNS矩阵包含三个混合角θ₁₂、θ₁₃和θ₂₃以及一个CP破坏相位δ来参数化。

混合角是描述中微子振荡强度的重要物理量，它们反映了不同味道的中微子之间的耦合程度。这些混合角是不能从理论上预测的，只能通过实验来测量。在三个混合角中，θ₁₂和θ₂₃早就测量出来，而θ₁₃是最难测量的一个，因为它对应的值非常小。但是θ₁₃对于探测CP破坏相角δ和确定中微子质量次序（即三种质量本征态之间的大小关系）具有重要意义，因此测量θ₁₃是一项极其重要又极具挑战性的任务。

那么，如何测量这些参数呢？一般来说，有两种方法：一种是利用自然界产生的中微子源，如太阳、宇宙射线和大气层等；另一种是利用人工制造的中微子源，如反应堆、加速器和放射性同位素等。

不同的中微子源有不同的能谱和强度，因此可以探测不同的振荡模式和频率。通过比较不同距离处探测到的中微子信号，我们可以计算出中微子振荡的概率，并从中提取出相关的参数。

大亚湾实验就是一个反应堆中微子实验，它利用广东省的核电站产生的电子反中微子，通过八个探测器分别布置在三个不同的距离上，测量电子反中微子的存活概率和消失概率，从而测量中微子混合角θ₁₃。大亚湾实验通过对比不同距离上探测器观测到的电子反中微子数目，以及它们的能谱分布，来拟合出θ₁₃的最佳值和误差范围。