2012年3月8日,大亚湾反应堆中微子实验在北京高能所宣布,以5.2倍标准偏差的置信度,发现了一种新的中微子振荡,其振幅为9.2%。发布会上就有记者提出,以前已有实验给出了测量结果,这应该不算是新发现吧?后来也有人提出,有三代中微子混合,理论上一定存在theta13,因此只能说是测量出了数字,不能称之为发现。
为此,我们曾向上汇报了一个书面材料,说明大亚湾结果毫无疑问可以称为“发现”,不存在学术争论的空间。不料前天我两次在不同场合被问到这个问题。
在一个答辩上,整整六分钟的提问时间,都纠缠在这个表达方式是否正确的问题上。
一)国际同行的看法(仅摘选部分代表性文章)
美国物理学会在其会刊《物理》上,为大亚湾论文(Phys. Rev. Lett. 108, 171803 (2012),以下简称大亚湾论文)配发观点文章(Physics 5, 47 (2012),参见 http://physics.aps.org/articles/v5/47),由法国Double Chooz实验(大亚湾的竞争对手)成员、MIT的Janet Conrad教授撰写,标题为:The Daya Bay Collaboration in China has discovered an unexpectedly large neutrino oscillation。
欧洲物理学会的网站新闻“亚洲实验解开中微子振荡谜团”(标题原文:Asian experiments unlock neutrino oscillation mystery),文中说“The discovery of a non-zero theta13 at approximately 9 degree ……completes our picture of neutrino mixing.”参见http://www.epsnews.eu/tag/daya-bay/
ScienceDaily 网站新闻的标题为“大亚湾:发现一种新的中微子转换”。标题原文:Daya Bay:Discovery of New Kind of Neutrino Transformation,参见 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120308071054.htm
论文Vernon Barger et al. Phys.Rev.Lett.109 (2012) 091801, 论文摘要里称“The recent discovery by the Daya-Bay and RENO experiments, that \theta_{13} is nonzero and relatively large, significantly impacts existing experiments and the planning of future facilities. ” Vernon Barger是威斯康星大学的讲席教授。
二)大亚湾结果与以前测量结果的关系
在大亚湾论文公布以前,日本T2K实验发表了论文(Phys.Rev.Lett.107,041801(2011)),表明测量到了6个电子中微子事例,本底为1.5个,说明theta13不为零,信号显著度为2.5倍标准偏差。受T2K启发,美国MINOS实验做了类似分析,得到类似结果,信号显著度为1.7倍标准偏差。其后,法国DoubleChooz实验也发表了一个1.7倍标准偏差的结果。
在粒子物理实验中,3倍标准偏差以下称为迹象(hint,indication),3倍以上称为证据(evidence),5倍以上称为发现(discovery)。
因此,T2K论文的题目为“Indication of Electron Neutrino Appearance ……”,Double Chooz论文的题目为“Indication of Reactor nu_e_bar Disappearance in the Double Chooz Experiment”。
如果他们的论文题目中出现了Evidence, Discovery, Measurement, Observation等字样,PRL的编辑是要拒稿的。
之所以这样规定,是因为从以往经验看,低于3倍标准偏差的结果最终被证明不对的概率很大。例子不胜枚举。最近的一次是美国费米实验室的MINOS实验2011年发现正反中微子振荡不同,可能存在CPT对称性破坏(Phys.Rev. Lett. 107, 021801 (2011)),信号显著度为2.3倍标准偏差。2013年在获取更大数据量后自己否定了。
三)测量结果的中心值
T2K与Double Chooz首次结果的中心值与大亚湾结果相仿,被一些人认为是“不算发现”的证据。下图列出了2011至2013年关于theta13测量的全部实验结果。可以看出T2K(蓝框中的数据点)与大亚湾结果偏差较大,Double Chooz(红框中的数据点)首次结果与大亚湾相近纯属巧合,增加统计量后,结果反而与大亚湾相差更大。
大亚湾实验三篇论文给出的中心值分别为0.092, 0.089, 0.090。结果相当稳定,世界平均值也基本上由大亚湾测量结果主导。
四)理论与实验的关系
大亚湾实验发现了一种新的振荡模式。假定只存在三代中微子混合,该振荡的测量结果与theta13对应。有人说,理论上已有预言存在theta13,这就不能叫“发现”,只能叫“证实(confirmation)”。
事实上,虽然集大成者常常是理论家,但物理学本质上是实验科学。新的实验事实都可以称作“发现”,与是否先有理论预言没有关系。例如,粒子物理的弱电统一理论预言了W±和Z0的存在,它的实验结果仍叫“发现”,实验和加速器的负责人被授予了诺贝尔奖。希格斯粒子早有预言,人们花了30多年的时间来寻找它,最后是被“发现”了。
五)大亚湾论文的题目为什么没有“发现”这个词
大亚湾论文的题目“Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay”是经过深思熟虑的。首先不能出现theta13,因为这是理论模型相关的。即使将来三代中微子混合的理论改进了,论文也要能站得住脚。
没有叫Discovery of a new neutrino oscillation,是因为语义含糊,而且KamLAND实验已通过反应堆中微子实验发现了另一种与theta12相关的反应堆中微子振荡。对实验家来说,Measurement、Observation具有确定性的含义,其确定性与Discovery是一样的。
六)结语
从我们的国际交往,以及上面引用的实验家与理论家的表述中可以看出来,称大亚湾实验结果为“发现”,在国际同行中是不存在争论的。
由于基础研究的公开性,科学前沿的竞争往往非常激烈,能够干干净净“完胜”竞争对手的情况极少。象大亚湾实验这样比较干净的已属少数。最近几年我国在细分领域取得了一些世界级的成果,科研实力的增长非常显著,相信未来会有更多,其中有一些可能会不那么容易说清楚。希望我国科学界能相互支持,推动中国科研成果在世界上的影响力。