T2K与NOvA实验联合中微子振荡分析揭示轻子CP破坏新证据

《Nature》：Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments

《自然》杂志最新发表T2K与NOvA实验联合分析成果，研究人员通过整合两个长基线中微子振荡实验数据，首次实现对中微子质量平方差Δm232的高精度测量（2.43+0.04-0.03×10-3 eV2），并在倒序质量模式下发现δCP的3σ置信区间[-0.92π,-0.04π]排除CP守恒值，为轻子CP破坏提供首例实验证据，对理解宇宙物质-反物质不对称性具有重要意义。

　　

在粒子物理学的神秘世界里，中微子始终扮演着“幽灵粒子”的角色。这些电中性的基本粒子以接近光速穿梭于宇宙，却极少与物质发生作用。更令人着迷的是，中微子在传播过程中会像变戏法般在不同“味”之间转换，这种现象被称为中微子振荡。1998年超级神冈实验首次发现大气中微子振荡现象，开启了中微子物理研究的新纪元。

然而，尽管经过二十多年的深入研究，中微子领域仍存在三大未解之谜：中微子质量顺序（即三个质量本征态v₁,v₂,v₃的排列方式）、电荷共轭-宇称对称性破坏（CP破坏）的存在与否，以及混合角θ₂₃是否精确等于45°。这些问题的答案不仅关乎中微子本身性质，更与宇宙中物质-反物质不对称性等基本问题密切相关。

CP对事件率的影响。a,b, 双事件图显示实验对中微子质量顺序和δ_CP的敏感性，面板分别代表NOvA(a)和T2K(b)情况。黑色点带1σ泊松统计误差棒显示远探测器中选出的v_e和v?_e候选事例总数。椭圆参数曲线追踪在正常（蓝色）或倒序（橙色）质量顺序假设下，随着参数δ_CP从-π到π变化时预测的事例数。四个特定δ_CP值作为参考标出。此图中其他振荡参数保持固定，设置为联合分析中的最概然值（扩展数据表3）。'>

为解决这些难题，目前全球运行着两个主要的长基线中微子振荡实验：日本的T2K和美国的NOvA。T2K实验从J-PARC加速器产生0.6 GeV中微子束流，让中微子飞行295公里后到达超级神冈探测器；而NOvA实验则从费米实验室产生2 GeV束流，中微子穿越810公里基岩后到达明尼苏达州的远探测器。这两个实验均采用离轴束流设计，使峰值能量接近振荡极大值，同时利用近探测器精确控制束流和相互作用系统误差。

尽管两个实验此前已分别发布重要成果，但单一实验的数据在区分质量顺序和CP破坏参数时存在固有局限。正如《自然》杂志最新发表的研究所示，T2K和NOvA实验团队首次实现了两个实验数据的完全联合分析，通过创新的统计方法和系统误差处理，对中微子振荡参数给出了迄今最精确的约束。

关键技术方法

本研究采用贝叶斯统计框架，整合T2K和NOvA的完整似然函数，使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法探索后验概率。通过容器化技术将NOvA的ARIA和T2K的MaCh3两个独立分析框架结合，实现交叉验证。系统误差处理方面，详细评估了束流、截面和探测器模型的相关性，采用“噩梦参数”法检验相关性忽略的潜在影响，同时进行模型外变异测试确保结果稳健性。数据分析包含T2K的3.6×10²¹和NOvA的完整数据集，采用反应堆约束θ₁₃作为先验。

质量平方差Δm²₃₂的精确测量

联合分析实现了对|Δm²₃₂|迄今最精确的测量：正常质量顺序下为2.43^+0.04_-0.03×10^-3 eV²，倒序质量顺序下为-2.48^+0.03_-0.04×10^-3 eV²。这一结果显著提高了该参数的测量精度，为未来实验提供了重要基准。

2₃₂|的实验测量。测量结果假设本分析偏好的倒序质量顺序。从上到下第二行开始的结果来源如下：参考文献13,14,43-49。正常顺序情况见扩展数据图9。'>

混合角θ₂₃和八分位偏好

分析测得sin²θ₂₃=0.56^+0.03_{-0.05，对θ23的上八分位（sin²θ23>0.5）有微弱偏好，贝叶斯因子为3.5。移除反应堆约束后，对上下八分位没有统计显著偏好（贝叶斯因子1.2）。这一结果支持θ23接近45°的猜想，暗示可能存在μ-τ味对称性。}

CP破坏参数δ_CP的约束

在不假设质量顺序的情况下，δ_CP的1σ可信区间为[-0.81π,-0.26π]，最概然值为-0.47π。特别重要的是，在倒序质量顺序假设下，δ_CP的3σ可信区间为[-0.92π,-0.04π]，排除了CP守恒值（δ_CP=0和π），为轻子CP破坏提供了证据。

2θ₂₃和δ_CP的约束。应用反应堆约束情况下，正常（蓝色，左侧）和倒序（橙色，右侧）中微子质量顺序的sin²θ₂₃和δ_CP的边缘后验概率和1D或2D贝叶斯可信区域。阴影区域对应1σ,2σ和3σ可信区域。a,b, sin²θ₂₃与δ_CP的2D面板(a,b)叠加了仅T2K数据拟合（深红色）和仅NOvA数据拟合（深蓝色）的1σ可信区域，分别假设正常(a)和倒序(b)质量顺序。c-f, 1D面板显示正常顺序下sin²θ₂₃(c)和δ_CP(d)的后验概率，以及倒序顺序下δ_CP(e)和sin²θ₂₃(f)的后验概率。'>

Jarlskog不变量的分析

作为CP破坏的参数化无关度量，Jarlskog不变量J_CP的分析进一步支持了上述结论。在倒序质量顺序下，CP守恒值J_CP=0落在3σ可信区间外，这一结论在δ_CP均匀先验和sinδ_CP均匀先验下均成立。

CP的边缘后验概率。后验分布使用δ_CP均匀(a,c)或sinδ_CP均匀(b,d)的先验分布。阴影区域显示1σ,2σ和3σ贝叶斯可信区间。'>

质量顺序偏好

联合分析显示对质量顺序没有统计显著偏好，倒序质量顺序的贝叶斯因子仅为1.3。尽管两个实验单独分析时偏好正常顺序，但联合分析中其他振荡参数值在倒序顺序下更一致，导致不同的顺序偏好，但仍无统计显著性。

系统误差相关性研究

研究团队深入评估了实验间系统误差的相关性。通过“收缩-拉动”研究识别最具影响力的系统参数，并使用“噩梦参数”方法检验极端情况下的相关性影响。研究发现，在当前实验曝光量和系统误差水平下，忽略实验间相关性不会引入显著偏差，唯一例外的是v_e和v?_e事例的2%归一化不确定性被正确关联。

模型外变异测试

通过MINERvA 1π、非准弹性过程和π介子次级相互作用等模型变异测试，验证了分析结果的稳健性。所有测试中，可信区间宽度变化均小于10%，区间中心移动小于系统误差的50%，满足预设阈值。

这项开创性的联合分析代表了加速器中微子实验的里程碑，首次实现了两个独立实验从数据到统计推断的完全整合。研究不仅以前所未有的精度约束了Δm²₃₂参数，更重要的是在倒序质量顺序假设下为轻子CP破坏提供了实验证据。这一发现对理解宇宙物质-反物质不对称性具有重要意义，因为轻子CP破坏是轻子生成理论中解释宇宙物质优势的关键要素。

尽管当前数据对质量顺序没有显著偏好，未来结合反应堆中微子实验的|Δm²₃₂|测量将有助于解决这一关键问题。本研究建立的分析框架和方法将为下一代中微子实验（如DUNE和Hyper-Kamiokande）提供重要借鉴，推动我们最终揭开中微子所有奥秘的征程。