《科学》杂志在公布2012年度十大科学突破时指出:如果LHC的研究人员无法发现超越标准模型的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。　　从1930年泡利提出中微子假说到1998年实验上发现中微子振荡，再到后来一系列的中微子实验使得人们对中微子的认识不断向前发展。从宇宙线中的超高能中微子到大气中微子，太阳中微子，超新星中微子，再到宇宙中的正反物质不对称，暗物质以及宇宙的早期演化，使得中微子在天文学和宇宙学研究中扮演着越来越重要的角色。中微子的MSW效应成功地解释了太阳中微子缺失问题;对大气中微子中ve和vμ的观测第一次为中微子振荡提供了有力的实验证据;为了解释实验上观测到的各种反常现象，例如LSND反常，反应堆反中微子反常等，在理论上引入惰性中微子的概念。中微子物理的研究已经涉及到粒子物理理论，粒子物理实验以及天文学、宇宙学等各个方面的研究，成为了一个活跃的、激动人心的研究领域。　　以快速发展的中微子实验为基础和动力，中微子物理学，天文学和宇宙学也在蓬勃发展。中微子物理的许多重要方面都得到了广泛关注和深入研究。例如，中微子的质量起源问题，seesaw机制，中微子味道混合及其背后的物理，高能标下的中微子物理及与中微子相关的对称性，惰性中微子的存在及其对标准模型中三代中微子的影响，CP破坏，超高能中微子，中微子与暗物质及中微子在宇宙学中的影响等等。　　目前实验以确切的证据表明，存在中微子振荡现象，这是目前唯一被实验证实的超越标准模型的新物理。实验观测到中微子振荡的存在，要求中微子必须是有质量的，三代中微子或轻子之间要存在混合，并且三代中微子之间要有较小的质量平方差。描述中微子混合的三个混合角中，只有θ13还未获得精确测量，并且在之前的许多理论框架下θ13的值为零。2012年，大亚湾反应堆中微子实验合作组公布了θ13的精确测量值sin22θ13=0.089±0.010(stat)±0.005(syst)。　　为了解释实验上观测到的两大一小的中微子混合角而提出了许多唯象的方案，例如μ-(τ)对称性，A4味道对称性，夸克-轻子互补性等。但是θ13以及θ23的精确测量表明，这些方案与现有的实验测量结果之间存在偏差。　　最近另外一个中微子物理的进展是在加速器实验MINOS中发现的θ23并不是之前认为的45°，那么接下来的问题就是确定θ23＞45°还是θ23＜45°，即θ23的octant问题。　　本文旨在探讨中微子混合中非零θ13的起源和轻子味道普适性破坏等问题。　　1.中微子混合在高能标下具有某种对称性，当演化到低能标的过程中对称性发生破坏，从而得到实验上观测到的中微子混合形式。在理论上提出了许多具有某种对称性的中微子混合矩阵模型，这些模型给出与当前实验不符的混合参数值，例如零值的θ13。考虑在理论上通过研究非零θ13的起源问题，得到与当前的实验结果相符合的中微子混合参数值:　　(1)尝试从几何的观点讨论PMNS矩阵的对称性以及破缺并预言或解释非零的θ13值。在Friedberg-Lee PMNS矩阵的几何模型的基础上，根据总结的变形原则对tribimaximal混合所对应的混合角的几何表示一立方体进行变形，从而得到了三个混合角之间的解析表达式。以实验结果作为输入值，导出了θ13的具体数值。这个工作是在T2K合作组公布实验结果的时候完成的，理论预测值与T2K给出的下限大体吻合，加上误差区间后与T2K的结果区间相交。　　(2)最近的T2K，RENO和大亚湾等实验组公布的数据表明，中微子的混合角θ13在9°附近，为了解释这个较大的混合角，用微扰的方法研究了几种常见的常数型混合矩阵在解释现有的混合参数，特别是较大的θ13时的可能性和合理性。这些常数型混合矩阵一般来自于中微子震荡的实验结果或某些对称性。尽管这些矩阵有些快被实验排除了，或者与实验结果符合得不是很好，但是，给它们作一个微扰计算之后就可能使它们与现有的实验数据相符。对这些矩阵作一个一般微扰，然后与中微子振荡的实验结果进行比较，在限制混合参数的同时可以挑选出比较合理混合类型，这为将来的模型构建提供了帮助。以tribimaximal混合为例进行详细分析，并把其他常数混合矩阵的情形在最后作了总结。　　(3)为了解释实验上观测到的反常现象而引入了惰性中微子。如果惰性中微子与活性中微子之间有混合，那么它们之间的混合就会对活性中微子的混合参数产生影响。这些影响为从具有对称性的混合矩阵到实际的混合矩阵，以及非零的θ13提供了理论上的可能性。以此作为出发点，讨论了由于惰性中微子的引入，而使得常数型混合矩阵可以在形式上与最新的中微子振荡实验结果相符合。　　2.惰性中微子的引入，不但可以用来解释实验上的反常现象，同时也可以与实验上直接可观测的新物理信号相联系，从而给予后者以合理的理论解释。在标准模型的框架下存在轻子味道的普适性(lepton universality)，而最近的实验结果表明:可能存在轻子味道普适性的破坏。之前已经有文献提出:惰性中微子和活性中微子之间的混合或许会导致这样的轻子味道普适性破坏。考虑通过引入一个或两个惰性中微子来解释轻子味道普适性破坏的现有实验结果。由于μ-(τ)对称性的存在，实际的PMNS矩阵与μ-(τ)对称性下的轻子混合矩阵会有偏离;实验结果表明RD(Ds)μ(τ)=Γ(D(Ds)→μ+vμ）/Γ(D(Ds)→μ+(ττ)）（以及其他的重介子B±或Bc）与标准模型的计算值RSMD(Ds)μ(τ)之间会有偏差。这就使可以推测:μ-(τ)对称性破缺与轻子的味道普适性破缺之间会有联系，并且μ-(τ)对称性和轻子的味道普适性有着共同的高能标对称性，而两者的破坏是这个高能标对称性在低能时的不同表现。现有的BESⅢ实验以及将来的charm-tau工厂为给出更精确的实验数据来检验轻子味道普适性提供了可能。主要讨论D和Ds，即RD(Ds)eμ和RD(Ds)μ(τ)并简单讨论了B±和Bc介子的情形。　　3.每年全球发生的地震、海啸等自然灾害给人类造成了无法估量的生命和财产损失。寄希望于中微子物理可以对这类自然灾害做出预测，从而造福人类。讨论了利用中微子的物质效应进行地震预测的可能性。以反应堆发出的反电子中微子做“探针”，使其穿过地震断层区。断层区物质对中微子振荡的影响便可以反映出断层区物质密度的变化。在这个初步的工作中，采用了简化的地震断层区物质密度模型，并计算了在存在与不存在断层区两种情况下的中微子振荡几率差。如果以反应堆发出的反电子中微子做探针，此几率差可达8.5％。如果以中微子工厂发出的的高能中微子做探针，由于这些高能中微子太大的共振长度，其几率差微乎其微。结论是:以现有的反应堆设备和探测技术，尽管理论上看起来可行，但实际利用此方法进行地震预测还是比较困难的。然而，随着地质学及探测技术的发展，仍有希望利用此方法进行中期地震预测。