测量Theta(13)角的物理意义

邢志忠（高能所）

本文分三部分论述Theta(13)角在味物理理论中的地位和测量Theta(13)角的重要物理意义。由于主要针对实验家，本文及相应的报告不涉及过多理论细节。

（一）味物理的核心问题

味物理学的研究对象是轻子和夸克，以及后者所组成的强子物质。中微子属于超轻味。味物理的三大核心概念是质量、味混合和CP对称性破坏。质量是研究物质起源必须回答的问题，味混合决定了物质间的相互转化，而CP破坏与物质—反物质不对称问题密切相关。

目前已知的12个费米子，其质量谱的跨度从可能的meV以下（中微子）到接近TeV（顶夸克），差不多15个数量级。质量到底是如何起源的呢？夸克混合涉及3个小混合角和1个大CP破坏位相；而轻子混合包含2个大混合角，1个小混合角和3个未定的CP破坏位相。两种混合之间有大统一的可能吗？尽管已经在实验室内观测到夸克弱衰变过程中的CP破坏现象，尽管我们知道可观测宇宙存在100%的物质—反物质不对称现象，我们却不知道两者之间（即宏观与微观之间）的联系。

既然目前的粒子物理理论无法确定质量、味混合和CP破坏等基本参数，它们的数值信息只能依赖于实验测量。无论对夸克还是对轻子，测量最小的味混合角Theta(13)是整个学科实验进程的转折点：实验从此进入精确测量阶段。只有完成对Theta(13)的测量，才能开始至关重要的寻找CP破坏效应及其根源的实验研究，才能有效开展寻找新物理的工作。因而Theta(13)的探测对研究味物理的核心问题意义重大。夸克味研究的历史发展已经说明了这一点。

（二）唯象学层面的评述

虽然Theta(13)=0并非不可能，但是没有任何可靠的理论（基本味对称性）要求Theta(13)严格为零。原则上，轻子质量简并可导致Theta(13)=0，但那不现实。

目前对中微子质量谱和味混合参数的限制来自于分析太阳、大气、核反应堆和加速器实验数据。Global Fit方法，通过提取Theta(13)角在太阳和大气中微子振荡中的次级贡献，可以获取有关其大小的信息。这是目前国际几个分析组共同的做法，也是唯一模型无关的可对新实验的设计产生一定参考意义的信息来源。然而最近的Best Fit结果似乎表明Theta(13)接近于零。但是这并不一定很可靠。

必须强调：Theta(13)的Best Fit值两年来不断下降的趋势对大亚湾项目来说，应该既是坏消息又是好消息。坏到什么程度呢？所有正在考虑的实验都将得不到正面结果。好到什么程度呢？Double CHOOZ精度不够，而大亚湾创造历史。

必须强调：一个物理量等于零与否是理论家的事情。实验家永远得不到精确的零。所以无论Theta(13)理论上应该有多小，实验家都不得不测量它，证实或证伪。

在众多的模型中，Double CHOOZ的朋友们热切希望那些“预言”Theta(13)越大越好的模型是对的。只有天知道（尽管在公开场合我们礼貌地祝他们走运）。

一旦Theta(13)被测定，将极大地提高我们对太阳、大气和长基线中微子振荡次级效应的认识，也将有助于我们研究超新星中微子振荡问题，等等。

（三）理论意义及其延伸

尽管目前的大统一模型无法根本解决味动力学的问题，人们仍旧期待发现轻子与夸克的内在联系。事实上，轻子和夸克混合角的低能实验数据暗示了一些关系，不过也许是数值巧合，因为它们从seesaw模型还看不出来任何明显的理论依据。

近年来一个新兴的热点课题就是将宇宙的物质—反物质不对称和中微子振荡联系起来研究，所谓的“一石二鸟”。其基本假设是存在重的右手中微子，seesaw和leptogenesis机制起作用。在诸如此类的模型构造中，Theta(13)的角色至关重要与敏感，被称作模型分辨器。

无论是联系大统一能标的物理和弱电对称性自发破缺能标的物理，还是联系宏观与微观的CP破坏效应，量子修正都是必要而且重要的。原则上，即使Theta(13)在大统一能标为零，到了低能也会变为非零。这种“无中生有”的可能性表明，Theta(13)在量子修正中的角色也至关重要与敏感。

作为一个基本物理参数，Theta(13)被精确测量是天经地义的事情。它的数值大小对中微子物理的的实验进程影响深远，对发现和发展更基本的味物理理论举足轻重，对宇宙学和天体物理学的相关研究也将是一个福音。

谨慎地祝实验家同事们和大亚湾同仁们好运！