中微子振盪是一個量子力學現象，是指微中子在生成時所伴隨的輕子（包括電子、渺子、陶子）味可在之後轉化成不同的味，而被測量出改變。當微中子在空間中傳播時，測到微中子帶有某個味的機率呈現週期性變化。 理論物理學家布魯諾龐蒂科夫最先於 1957 年提出此猜想。 reproduced and translated in and reproduced and translated in 爾後一連串的各種實驗皆觀察到此一現象。微中子振盪也是長期未解決的太陽微中子問題的解答。 中微子振盪無論對理論物理還是實驗物理而言都是相當重要的。因為這意味著中微子具有非零的靜質量，這與原始版本的粒子物理標準模型不相吻合。 由於發現了微中子振盪現象存在的證明，並取得微中子質量資料，日本超級神岡探測器的梶田隆章以及加拿大薩德伯裡微中子觀測站的阿瑟麥克唐納兩人獲頒 2015 年諾貝爾物理學獎。 實驗觀測 科學家應用各種不同的探測器技術對各能量級的中微子進行測量，如今各種來源的中微子振盪已被多方面的實驗收集的大量證據所證實 。 太陽中微子振盪 在以美國科學家雷蒙德戴維斯領導的中，發現觀測到的中微子流量與標準太陽模型預測的不符（太陽中微子問題）。這是實驗中人們第一次觀測到和中微子振盪有關的現象。隨後，更多基於使用放射性元素和水契忍可夫輻射探測器的實驗證實了同樣的現象。直到 2001 年加拿大薩德伯裡中微子天文臺的測量結果發表，人們才能夠充分的證實這數量上的不符是由中微子振盪引起的。 太陽中微子的能量及一般在 20 百萬電子伏特以下，傳播距離為太陽和地球之間的距離。在 5 百萬電子伏以上，太陽中微子的振盪透過在太陽體內的振盪而產生 MSW 作用，這與下文中將會提到的真空振盪是兩個不同的過程。 大氣層中微子振盪 早期 IMB，MACRO 和日本的神岡探測器均觀測到從大氣層中放射出的 μ 中微子與電中微子比例的偏差。此後超級神岡探測器在此基礎上進行更為精確的測量，能量覆蓋幅度由百萬電子伏至億萬電子伏，基線長度為地球的半徑。 核反應堆中微子振盪 核反應堆實驗可以用來探測反電中微子的振盪。此類實驗中最突出的是。反應堆中產生的反中微子和太陽中微子的能量級相當。此類試驗的基線長度短至數十米，長至數百公里。 2012 日 3 月 8 日，大亞灣中微子實驗國際合作組宣佈，發現最後一種中微子振盪，並且測量到其振盪機率 sin2 2theta_130092pm 0017 。假若這結果成立，物理學者立可開始研究中微子與反中微子之間的不對稱性，嘗試解釋為甚麼宇宙中的物質超多於反物質。 粒子束中微子振盪 利用加速器產生的中微子束可使實驗相對更容易人為控制。此類的實驗觀察與大氣層中微子振盪同樣的現象，基線長度多為數百公里。中微子在此類試驗中的能量級為數十億電子伏。MINOS 的最新報告指出其觀測結果與 K2K 及 SuperK 的相符合。 早期 LSND 機器發表了非常具有爭議性的觀測結果。新設計的 MinibooNE 實驗機於 2007 年初發表的結果駁回了 LSND 的所謂兩中微子模型。 正在設計中的 T2K 實驗將利用 295 公里長的基線和 SuperK 探測器來測量一參量 theta_13，預期 2009 年開機。類似的 NOvA 利用 810 公里長的基線和 MINOS 探測器。 理論解釋 中微子振盪的概念與中性 K 介子系統中的振盪相似，最早由理論物理學家布魯諾龐蒂科夫於 1957 年提出。 以下將會討論到的整套原理由龐蒂科夫於 1967 年發表。一年後太陽中微子問題首次被觀提出。接著格利波夫（Gribov）和龐蒂科夫於 1969 年聯合發表了一篇著名的文章《中微子天文學與輕子電量》。 PMNS 矩陣 太陽和大氣層中微子試驗的觀測結果說明中微子振盪的根源在於其味特徵態與質量特徵態不完全相同。這兩種特徵態之間的關係可透過以下方程來描述： left nu_alpha rightrangle sum_i U_alpha i left nu_i rightrangle left nu_i rightrangle sum_alpha U_alpha i left nu_alpha rightrangle 其中 left nu_alpha rightrangle 是在某一指定味特徵態下的中微子。 α 可為電子、μ 子或 τ 子。 left nu_i rightrangle 是在某一指定質量特徵態下的中微子。 其中，i 1 2 3 表明複共軛矩陣（如果把兩式中的矩陣參量交換，就可以得到描述反中微子的方程） U_alpha i 通常稱為 PMNS 矩陣（亦稱 中微子振盪矩陣）。這與描述夸克的 CKM 矩陣 非常相似。 假設此矩陣為對等矩陣，那麼中微子的味特徵態會和質量特徵態相同。但實驗證明，事實並非如此。 如果把 3 味的中微子全部考慮進去，此矩陣為 33 矩陣。很多時候只考慮兩個，於是會用 22 矩陣。如果要描述多一箇中微子（下文會提到），需要 44 或是更高維的矩陣。 以下為 33 矩陣 ： begin align U begin bmatrix U_e 1 U_e 2 U_e 3 U_mu 1 U_mu 2 U_mu 3 U_tau 1 U_tau 2 U_tau 3 end bmatrix begin bmatrix 1 0 0 0 c_23 s_23 0 s_23 c_23 end bmatrix begin bmatrix c_13 0 s_13 eidelta 0 1 0 s_13 eidelta 0 c_13 end bmatrix begin bmatrix c_12 s_12 0 s_12 c_12 0 0 0 1 end bmatrix begin bmatrix eialpha_1 2 0 0 0 eialpha_2 2 0 0 0 1 end bmatrix begin bmatrix c_12 c_13 s_12 c_13 s_13 eidelta s_12 c_23 c_12 s_23 s_13 ei delta c_12 c_23 s_12 s_23 s_13 ei delta s_23 c_13 s_12 s_23 c_12 c_23 s_13 ei delta c_12 s_23 s_12 c_23 s_13 ei delta c_23 c_13 end bmatrix begin bmatrix eialpha_1 2 0 0 0 eialpha_2 2 0 0 0 1 end bmatrix end align 其中 s_12 sintheta_12，c_12 costheta_12，以此類推。 假如中微子是一種馬約拉納粒子（目前還不清楚），所有相位因數 α1 和 α2 均為零，並且與不參與振盪現象。假如存在中微子雙電子衰變，那麼這些因數將會影響衰變的速度。另外一個相位因數 δ 只有在 CP 不守恆時才會有非零值。理論預言中微子會違反 CP 守恆，但實驗上還未觀察到此現象。假如實驗證明這 33 矩陣不是對等矩陣，我們或許需要透過引入 惰性中微子（sterile neutrons）或是其他新概念來解釋試驗的資料。 觀測到的振盪引數值 sin2 2θ13 tan2 θ12 這對應於 θ12 θsol sol 代表太陽 sin2 2θ23 在 90 置信水平，相應的 θ23 θatm atm 代表大氣 Δm Δm Δm Δm Δm δ α1 α2 和 Δm 的符號目前未知。 參考文獻 MC GonzalezGarcia Y Nir A review of evidence of neutrino masses and the implications Reviews of Modern Physics 75 2003 p345402 相關條目 太陽微中子問題 連結 All neutrino data in one plot Maury Goodman The Neutrino Oscillation Industry 2005 Provides links to many other neutrino oscillation websites Category 中微子 Category 標準模型 Category 電弱理論 Category 超越標準模型的物理學