NOvA實驗發表微中子震盪的最新測量結果

  • 物理新新聞
  • 撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
  • 發文日期:2016-05-13
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NOvA日前發表了他們的第一批實驗結果,除了觀察到了緲子微中子變成電子微中子的微中子震盪現象外,同時也對微中子的CP破壞與微中子的質量態順序給出了更明確的限制。


2015的諾貝爾物理學獎頒發給梶田隆章教授與Arthur B. McDonald教授,表彰他們發現了微中子震盪(neutrino oscillation)的實驗證據,同時也證實了微中子帶有質量。目前已知微中子有三種風味,分別是電子微中子,緲子微中子與濤微中子。微中子在前進的時候會依特定機率由一種風味轉變成另外一種,這個現象被稱為是微中子震盪。微中子震盪的發生機率與微中子的質量,能量,及前進的距離有關。因此如果能夠精確量測微中子的能量與基線的長度,也就是微中子移動的距離,那們就可以大幅提高測量微中子質量的精準度。

梶田隆章教授所觀測到的,是大氣微中子中,緲子微中子轉換成電子微中子的現象。由於大氣微中子是由宇宙射線而來,因此微中子的來源與數量都不夠穩定與精準。為了更精確的測量微中子震盪,物理學家提出了利用粒子加速器來產生微中子束來進行實驗的構想。利用加速器所產生的微中子束具有許多優點,例如可以精確估計微中子的能量,確定微中子經過的距離,控制微中子到達偵測器的時間。

NOvA實驗便是這麼一個利用微中子束來測量微中子震盪的實驗。費米實驗室所產生的緲子微中子束在0.0027秒後射入位於810公里外的偵測器。微中子的能量分布約略在1GeV與3GeV之間。NOvA實驗是目前同類型的微中子實驗中,基線最長的實驗。在沒有微中子震盪的狀況下,NOvA預計會發現0.99+/-0.11個電子微中子,NOvA所公佈的實驗結果顯示總共發現了6個電子微中子(3.3 σ),也就是觀察到了緲子微中子轉變成電子微中子的現象。

除了觀察到緲子微中子轉變成電子微中子的現象外,NOvA還可以測量微中子的質量態順序。微中子具有三個質量態,如果是正常排序(normal hierarchy, NH),則質量態1(以電子微中子為主)會是最輕的質量態。如果是反向排序(inverted hierarchy, IH),則是質量態3(緲子微中子與濤微中子為主)會具有最輕的質量。NOvA也可以測量微中子與反微中子的作用是否有差異,也就是測量微中子的電荷-宇稱相位(ΔCP)。ΔCP的值位於0-2 π之間。

從NOvA對電子微中子的測量結果,NOvA排除了微中子質量態排序為反向排序,同時0.1π。這個結果是由NOvA前15個月所累積的數據所得,未來累積更多的數據後,將可以對相關的參數進行更精準的測量。



原始論文
First Measurement of Electron Neutrino Appearance in NOvA
P. Adamson et al. (NOvA Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 151806 (2016)

參考資料
Viewpoint: Ghostly Neutrino Comes into Sharper Focus
http://physics.aps.org/articles/v9/39