1998年，日本超級神岡首次報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到神岡的長基線中微子振蕩實驗（簡稱為K2K）對此推斷的正確性進行了驗證，獲得了最新結(jié)果。

K2K實驗的目標 

當中微子有非零質(zhì)量和混合時，在三個已知"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)，中微子可能會隨著時間改變其明顯的味道，譬如從KEK到神岡的飛行時間里。在現(xiàn)行基本粒子標準模型里，中微子質(zhì)量被假設為零。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)和非零中微子質(zhì)量需要一種超越標準模型的理論，中微子質(zhì)量明顯小意味著大能量范圍的物理。K2K實驗的目的是確認用大氣中微子觀測到的中微子振蕩現(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是一項國際合作實驗，參與該項實驗的有來自10個國家30所大學和研究所的科學家） 

實驗方法 

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，這點已被KEK近探測器的數(shù)據(jù)所證實。KEK近探測器在中微子產(chǎn)生后和中微子振蕩效應可以見到之前，測量中微子束流的亮度和能譜。束流被引向距KEK250公里遠的超級神岡探測器。中微子束流的能譜類似大氣中微子的能譜，長基線實驗可以使我們檢驗在大氣中微子中觀測到的中微子振蕩效應。（左圖為 K2K實驗說明。高純度謬子中微子束流在約1 GeV時有很廣的能譜，由KEK的加速器產(chǎn)生，通過地下引到250公里遠的超級神岡。）

K2K實驗是第一個真正的長基線中微子振蕩實驗，將中微子束流引向遙遠場地的探測器。中微子束流脈沖的寬度為一秒鐘的百萬分之幾，每2.2秒從KEK發(fā)送到超級神岡。束流的脈沖時間結(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)別開來。 

數(shù)據(jù)分析和結(jié)果 

K2K實驗利用KEK的近探測器（左圖）測量中微子束流的流強和能譜，然后測量在超級神岡的遠探測器的任何差別。通亮的差別或能譜畸變提供中微子振蕩的證據(jù)。自1998年開始取數(shù)據(jù)以來，數(shù)據(jù)分析不斷得到改進，對探測器系統(tǒng)的了解不斷加強。到2004年5月分析所有數(shù)據(jù)獲得的結(jié)果如下： 

一、在超級神岡觀測到了108個事例，而對不振蕩假設的期望數(shù)字是150.9 (+11.6, -10.0)。 

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

（左上圖是在超級神岡觀測到的中微子能譜畸變（數(shù)據(jù)點）與縮制的KEK束流能譜（黑圖）比較，代表沒有中微子振蕩時的人們的期待。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、如果沒有振蕩，因統(tǒng)計的波動，只觀測到108個事例，可忽略能譜畸變的概率（10^-4）。 

二、K2K結(jié)果與超級神岡以前發(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)觀測遠、近探測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。 

未來展望 

2004年10 月開始，K2K將又有一束流運行，2005年3月結(jié)束。當新的數(shù)據(jù)不會大量增加實驗總統(tǒng)計量的時候，對探測器響應和系統(tǒng)進行研究就非常重要。 

KEK 12 GeV質(zhì)子同步加速器將于2005年停機，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備的準備。計劃在J-PARC上做的主要實驗之一是T2K (Tokai to Kamioka)（東海到神岡），即下一代長基線中微子實驗。該臺新加速器在事例率上提高了100倍，可以用來更詳細地研究中微子振蕩和有關(guān)現(xiàn)象。 

一個新的閃爍條形(SciBar)探測器系統(tǒng)已安裝在了K2K近探測器上，并于2003年9月進行了調(diào)試。SciBar可以部分地作為T2K實驗中關(guān)鍵探測器元件正在工作的原體。2004-2005年度的K2K運行將極大地增加SciBar數(shù)據(jù)，還將研究束流打靶和控制，為T2K實驗做準備。最后，將利用下一次運行在K2K近探測器上完成各種背景和刻度測量。 

K2K和T2K實驗探索粒子物理和天文物理方面的基本問題，在這些領域里，仍有許多未解決的問題，例如CP破壞的發(fā)現(xiàn)，它與宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱的起源密切相關(guān)。在不遠的將來，科學家要對這些不解之謎進行挑戰(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宇宙線研究所網(wǎng)頁）