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【什么是中微子震蕩？一個段子的解釋】今年的#諾貝爾獎#物理學(xué)獎頒給了中微子震蕩相關(guān)研究,。這是啥,？假設(shè)中微子這種基本粒子是一群普通青年，他們十一去遠游,，到了地方發(fā)現(xiàn)人只剩約1/3,，人都消失啦，這就是中微子丟失之謎。后來人們發(fā)現(xiàn)普通青年沒丟,，但變成了文藝青年和2B青年,，這叫中微子振蕩,。

專業(yè)人士讀這個：中微子,，開啟通向新物理學(xué)的大門

（文/Robert Adler 來源：果殼網(wǎng)）

“王冠下的腦袋總是難以安穩(wěn)，”莎士比亞的這句話,，同樣可以送給今天粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型,。這是迄今為止對物質(zhì)基元及其相互作用最為成功的描述。最近找到的非常類似希格斯玻色子的粒子,，讓這個理論更加冠冕堂皇,，因為這不僅證實了一個近40年之前的預(yù)言，而且填補了這個理論最后的空白,。不過我們并未就此滿足,，反倒更為迫切地希望將標(biāo)準(zhǔn)模型拉下馬來，去尋找那些最終必然超越它的嶄新物理篇章,?！皹?biāo)準(zhǔn)模型就是粒子物理學(xué)，”諾貝爾獎得主杰克·施泰因貝格（Jack Steinberger）說,，“但很多問題目前仍無望回答,。”

這些問題包括暗物質(zhì)的本質(zhì),，即這種據(jù)信占據(jù)宇宙80%質(zhì)量的神秘不可見物質(zhì)究竟什么,？然后還有暗能量,，它被認為是宇宙加速膨脹的推手,，而粒子物理學(xué)家將它的強度高估了10120倍，可謂錯得前無古人后無來者,。標(biāo)準(zhǔn)模型還無法回答物質(zhì)如何逃脫大爆炸,，如何將引力納入其中,。不僅如此，它還備受所謂“自由參數(shù)”（free parameter）的困擾,，這些數(shù)值不能由標(biāo)準(zhǔn)模型自身得到,，必須人為放進模型中，而且數(shù)值也是任意確定的,，比如對模型內(nèi)相互作用強度的設(shè)定就是如此,。

消解這些難題需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子,，但由于希格斯粒子目前表現(xiàn)得基本上中規(guī)中矩,，也許通向標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理新世界的鑰匙并不在它身上，而藏身于另一種粒子：中微子,。

2011年9月,，中微子曾一度街知巷聞,，當(dāng)時深埋于意大利大薩索山山體下的OPERA實驗項目宣稱，測量出中微子的傳播速度超過光速,，直接違背了愛因斯坦的狹義相對論,。6個月之后，這個結(jié)果被證實源自實驗本身的一處差錯,。即便鬧了烏龍,，這些讓人著迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

中微子如幽靈一般,，不但神秘而且孤僻,，因為它們幾乎不與周圍的物質(zhì)世界發(fā)生相互作用。有關(guān)中微子的這些謎團都超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的能力之外,。我們目前知道3種中微子,，它們看上去井井有條，分別和電子及電子的兩個更重的表親——μ子和τ子組成一對,，構(gòu)成完整的輕子家族,。但一開始，標(biāo)準(zhǔn)模型就錯誤地假設(shè),，中微子的質(zhì)量為0,，而且直到今天都無法在模型框架內(nèi)確定中微子的質(zhì)量。因此,，標(biāo)準(zhǔn)模型也沒能預(yù)見到中微子能在3種形態(tài)之間來回變化,，更別說存在更多種中微子的可能性了。

很多新的理論希望填補這些缺陷,，這其中包括大統(tǒng)一理論,、超對稱和弦論。它們當(dāng)中的某一個,，或許解釋中微子為何如此奇異,，從而拔得頭籌。反過來,，中微子本身則會告訴我們,，哪個理論才是眾望所歸。

盡管超然于世外,，中微子在物理學(xué)史上一直有著救場粒子的美名,。著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）當(dāng)初構(gòu)想出這些粒子，就是為了挽救β輻射中能量和動量的守恒,。最近,，中微子又在解釋宇宙中的物質(zhì)為何遠遠多于反物質(zhì)的努力中充當(dāng)起了先鋒，用美國弗吉尼亞理工大學(xué)理論物理學(xué)家帕特里克·胡貝爾（Patrick Huber）的話來說，“中微子能讓你進入另一個世界,，原因很簡單,，它跟我們這個可見的世界幾乎沒有多大的相互作用”。

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型,，雖然包含了三味中微子,，但無法解釋它們的質(zhì)量及許多其他異常現(xiàn)象,。圖片來源：《新科學(xué)家》

味道變換

標(biāo)準(zhǔn)模型對中微子描述的第一道裂縫,，出現(xiàn)在16年前。在那之前,，很多物理學(xué)家都跟隨標(biāo)準(zhǔn)模型，假設(shè)中微子沒有質(zhì)量,。但是到了1998年,，日本的超級神岡實驗證實情況并非如此。中微子總是偏愛和電子,、μ子和τ子中的某一種一起被發(fā)射和吸收,，就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此,，它們也被相應(yīng)地分成3種味（flavour）：電子中微子,、μ子中微子和τ子中微子。超級神岡研究了來自不斷轟擊地球大氣層的宇宙線中的μ子中微子,，發(fā)現(xiàn)它們能夠在穿透地球的過程中變身為電子中微子,。其他一些實驗則對核反應(yīng)堆、粒子加速器及太陽核衰變過程中產(chǎn)生的中微子進行了探測,，同樣證實了這種現(xiàn)象的存在,。無論中微子發(fā)射出來時屬于那一種，在傳播過程中都會變成什錦冰淇淋一樣的味道混合體,，每個冰淇淋球都包含了所有的3種味道,。按照量子力學(xué)，要想這種變換有可能發(fā)生,，中微子必須具有質(zhì)量,。實際上，我們現(xiàn)在認識到,，每種味的中微子在傳播過程中都會變成一個周期變化的混合態(tài),，而且這3種混合態(tài)各不相同。

這就給我們出了個難題,?！爸形⒆淤|(zhì)量告訴我們標(biāo)準(zhǔn)模型需要被拓展，但它沒有告訴我們?nèi)绾稳ネ卣梗泵绹鴣喞Ｄ侵萘⒋髮W(xué)的理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）說,。與之相對,，某些大統(tǒng)一理論，即那些希望更進一步統(tǒng)一除引力之外所有自然力的嘗試,，確實預(yù)言了有質(zhì)量的中微子,。因此，準(zhǔn)確確定中微子的質(zhì)量,，能幫助理論物理學(xué)家判斷,，哪種理論值得追隨?！叭藗儗@些大統(tǒng)一理論已經(jīng)猜了幾十年,，它們對粒子質(zhì)量各有各的解釋，”美國麻省理工學(xué)院的喬·福爾馬焦（Joe Formaggio）評論道,，“但如果你弄出個理論來解釋質(zhì)量,，總得有個實際質(zhì)量作為參照吧?！?/p>

測量一個能輕易穿透一光年厚鉛板的不可見粒子,，這說起來容易做起來難。捕捉中微子是個耐心活,，要用足夠大的探測器,，還要盯足夠長的時間，直到那極其微小的相互作用概率終于顯現(xiàn)一次,。用這樣的方法,，我們已經(jīng)在兩個截然不同的尺度上追蹤到了中微子：亞原子世界和浩渺宇宙。70年前,，恩里克·費米（Enrico Fermi）就預(yù)視到,，可以通過測量β衰變來測量中微子的質(zhì)量。在一個典型的β衰變中,，原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子,，同時放射出一個電子和一個電子反中微子。盡管反中微子無法直接探測到,，費米卻勾勒出一種方法,，通過伴隨電子的能量和動量，推測出這個反中微子的質(zhì)量,。但是,，由于中微子的質(zhì)量實在太輕，直到目前,，我們?nèi)詻]有達到所需的探測靈敏度,。不過,，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院正在搭建一臺名為KATRIN的極為靈敏的實驗裝置，有可能在未來幾年將第一個測出中微子質(zhì)量的榮譽攬入懷中,。

與此同時,，對中微子質(zhì)量的另一個嚴(yán)格限制來自宇宙：粒子會在各種地方留下自己的指紋——在大爆炸和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的元素混合中，在宇宙膨脹速率中,，在微波背景輻射中,，抑或是在物質(zhì)聚合成星系和星系團的過程中。

眾多宇宙學(xué)測量的結(jié)果綜合表明,，3種中微子的質(zhì)量加起來不能超過0.3電子伏特（eV）,，僅有質(zhì)量排名倒數(shù)第二的電子質(zhì)量的不足百萬分之一。美國費米實驗室的宇宙學(xué)家斯科特·都德爾遜（Scott Dodelson）感嘆道,，“對我而言,，通過觀察所有的星系和星系團，竟然能探測出如此微小粒子的質(zhì)量,，實在是激動人心,。”英國牛津大學(xué)的弗蘭克·克洛斯（Frank Close）則認為,，我們應(yīng)當(dāng)用心對待這些蛛絲馬跡，“我們還沒明白這一切有多妙不可言”,。2013年出爐的,、對普朗克空間天文臺宇宙微波背景輻射觀測結(jié)果的分析，進一步修正了我們對3味中微子質(zhì)量之和的限制,。

要從這個質(zhì)量之和里區(qū)分出單獨某味中微子的質(zhì)量非常困難,，因為它們總是處在不斷變換之中。不過測量這種振蕩也可以給我們提供參考,，對目前最佳數(shù)據(jù)的分析給出最輕的中微子質(zhì)量大約在0.05電子伏特,。

不過事情并未水落石出?！盀槭裁磁c其他東西比起來,，中微子的質(zhì)量小得如此出奇，這仍是怪事一樁,，”克洛斯解釋說,，“似乎它們本來想無事一身輕，但被宇宙算計了,?！?/p>

好像這3種“正常”中微子還怪異得不過癮似的,，某理論甚至提出,，可能還有一種或幾種“惰性”（sterile）中微子,，暗暗跟隨著它們。正常中微子還能感受到弱核力,，因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下,，惰性中微子卻不同——它們只能感受到引力，從而完全不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用,。惰性中微子對理論物理學(xué)家頗有魅力,，因為發(fā)現(xiàn)它們就可以跳出標(biāo)準(zhǔn)模型的樊籬，而且不僅可以解釋暗能量,，甚至能直達物質(zhì)本源問題,。“它們還有可能參與了標(biāo)準(zhǔn)模型之外,、我們迄今還沒發(fā)現(xiàn)的新的基本相互作用,，”費米實驗室的理論物理學(xué)家鮑里斯·凱瑟（Boris Kayser）補充說。

日本的超級神岡中微子探測器,，發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型對中微子描述的第一道裂縫,。圖片來源：qiwencun.com

物質(zhì)為王

過去幾年間，在實驗中已經(jīng)蹦出一連串反常事件,，指向一種甚至幾種質(zhì)量大概為1 eV的惰性中微子,。這個質(zhì)量既不滿足標(biāo)準(zhǔn)模型，也不在大統(tǒng)一理論的預(yù)言范圍之內(nèi),。所以,，只要證實它們的確存在，研究者夢寐以求的新物理就唾手可得了,。

最近,，由近200位中微子專家組成的國際研究小組發(fā)表的一篇關(guān)于惰性中微子的“白皮書”，折射出大家對此的興趣正在升溫,。該白皮書描繪了21個或正在進行,、或計劃實施、或還在提議中的捕捉惰性中微子的實驗,?！耙淮蠖蜒芯繖C構(gòu)都對此興奮異常，”歐洲核子物理中心的物理學(xué)家,、諾貝爾獎得主卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）談到,，“我們希望能很快看到進展?！?/p>

除了惰性中微子,，研究者還在追蹤另一項寶藏——尋找中微子和反中微子之間的差異。這將有助于解釋,，為什么我們這個宇宙中是物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo),。按照目前我們對宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的最佳理解,，物質(zhì)和反物質(zhì)在大爆炸中被創(chuàng)造出來，數(shù)量應(yīng)該是相同的,。接下來就是一場相互作用的風(fēng)暴,，物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)短兵相接，同歸于盡,，只留下光子充斥整個宇宙,。然而很明顯，事情并不是這樣發(fā)生的,?！盀槭裁从钪嫱耆晌镔|(zhì)構(gòu)成，對此我們還沒有很好的答案,，”美國麻省理工學(xué)院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）評論說，“這實在是個讓人很尷尬的問題”,。

美國哈佛大學(xué)的亞歷山大·索薩（Alexandre Sousa）說：“這大概是關(guān)于這個宇宙，我們能提出的最為根本的問題了,。中微子能為我們打開一扇窺探這個問題的窗口?！?/p>

這扇窗口就是所謂的輕子生成理論（leptogenesis），它依賴于一種被稱為CP破缺的現(xiàn)象,。所謂CP破缺是說,，在你觀察一個粒子反應(yīng)的同時，另一個在鏡子中的人觀察由這個粒子的反粒子發(fā)生的同一種反應(yīng),，你們看到的反應(yīng)速率會稍有差別。這種現(xiàn)象在由夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子中已經(jīng)被實驗證實,，但觀察到的速率差別不足以解釋為何大爆炸創(chuàng)造的反物質(zhì)蕩然無存。輕子生成理論則假設(shè),，在大爆炸后的第一微秒內(nèi)，年輕而熾熱的宇宙包含極重的不穩(wěn)定惰性中微子,，后者很快就發(fā)生衰變,，其中一些衰變成輕子,，剩下的則衰變成這些輕子的反粒子——關(guān)鍵在于，這兩種衰變的速率不同,，這個差異只需要很小，小到十億分之一,，就可以讓物質(zhì)最終取勝，在消滅所有反物質(zhì)之后,，仍能有足夠的輕子留存下來,，最終形成質(zhì)子和中子，繼而產(chǎn)生恒星,，星系和行星,。

人們認為，這些重惰性中微子和它們在標(biāo)準(zhǔn)模型中的同伴,，在早期宇宙中相互糾纏難解難分,，之后經(jīng)由一種名為翹翹板機制（see-saw mechanism）的物理過程，普通中微子在極熱的宇宙中通過與這些重伙伴的相互作用,，獲得了自己輕得離奇的質(zhì)量,。如果這幅輕子生成的圖像是正確的，我們就應(yīng)當(dāng)觀察到中微子和反中微子之間同樣存在輕微的差異,。

到目前為止,，實驗物理學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)任何令人信服的中微子CP反常,。美國費米實驗室的MINOS項目曾在2010年制造過一場小小的波瀾,，宣稱發(fā)現(xiàn)μ子中微子及其反中微子在長距離傳輸過程中，各自的味道混合方式存在微小差異,。但到了2012年,，積累了更多數(shù)據(jù)之后，這個差異又不見了,。

不過,，瞥見CP破缺的勝算還是不小的。2012年,，中國大亞灣核電站中微子實驗項目的研究人員對一個名為θ13的參數(shù)進行了測量,，這個參數(shù)描述了中微子如何在不同味之間來回變換。如果θ13數(shù)值比較小,，就意味著CP破缺很難被發(fā)現(xiàn),，如果是零就完全排除了CP破缺的可能性,。讓研究者寬心的是，測量出來的θ13大得有點讓人意外,，暗示在實驗中發(fā)現(xiàn)CP破缺的可能性很大,。美國伊利諾伊西北大學(xué)的理論物理學(xué)家安德烈·德戈維亞（André de Gouvêa）說：“我想我們現(xiàn)在已經(jīng)大局在握了?！钡谝粋€詳細結(jié)果可能會來自于費米實驗室的新星（Nova）項目,，它建造的賣點就是最有可能探測到中微子CP破缺。用索薩的話說,，“新星是未來10年唯一能對此一探究竟的實驗,。”

不過即便中微子真的表現(xiàn)出CP破缺,，故事也沒結(jié)束,。只有當(dāng)包括惰性中微子在內(nèi)的所有中微子都是所謂的馬約拉納粒子（Majorana particles）時，輕子生成理論才會起作用,。這意味著，跟標(biāo)準(zhǔn)模型中大多數(shù)粒子不同,，這些中微子與它們的反粒子完全相同，通過翹翹板機制獲得質(zhì)量,。

如果確實如此，我們應(yīng)該能觀測到一種名為無中微子雙β衰變（neutrinoless double beta decay）的過程,，而標(biāo)準(zhǔn)模型對這種過程一籌莫展,。在通常的β衰變中，一個中子變成質(zhì)子,，同時放出一個電子和一個電子反中微子,。有些原子核則能同時發(fā)生兩個β衰變,，此時應(yīng)該有2個電子反中微子發(fā)射出來,。但如果反中微子和相應(yīng)的中微子完全相同,，這兩個反中微子就相當(dāng)于一個中微子－反中微子對,。如此一來，剛一發(fā)射,，它們就會相互湮滅成2個光子，結(jié)果整個核反應(yīng)只產(chǎn)生了2個光子和兩個電子,。

“無中微子雙β衰變是證明中微子就是馬約拉納粒子的目擊證人,，”美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的艾倫·蓬（Alan Poon）解釋道，“它能向理論物理學(xué)家透露很多信息,，提示他們?nèi)绾涡拚龢?biāo)準(zhǔn)模型,，而且它還可以聯(lián)系到極早期宇宙，關(guān)系到為什么物質(zhì)比反物質(zhì)要多,?！?/p>

追夢逐幻

無中微子雙β衰變的另一個誘人之處在于，中微子的質(zhì)量會影響該反應(yīng)的速率,，讓我們得以同時確定中微子的質(zhì)量,?！澳憧梢砸患p雕,，一手抓住最輕中微子的質(zhì)量，一手證明中微子是馬約拉納粒子,，”加拿大女王學(xué)院的粒子天體物理學(xué)家阿特·麥克唐納（Art McDonald）對此充滿期望。

眼下，只有一個小組聲稱觀察到了無中微子雙β衰變,，這個俄－德合作小組在2002年發(fā)表了對鍺原子衰變的研究工作，但其他實驗都未能再現(xiàn)他們的結(jié)果,。新的發(fā)現(xiàn)來自位于美國新墨西哥州卡爾斯巴的濃縮氙觀測站（Enriched Xenon Observatory），在那里對一大罐液態(tài)氙的探測表明,，無中微子雙β衰變就算存在，也極其罕見,，也許概率小到根本無法探測（參見《物理評論通訊》,，第109卷，032505頁）,。不過盡管如此,，極高的回報率仍吸引著多個研究項目在繼續(xù)尋找這種衰變,。

有關(guān)中微子還有很多問題可問,。美國哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎得主謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）認為,，目前需要的是更多更好的實驗。他認為,，“現(xiàn)在沒什么好研究的，除非我們有一些實驗作為向?qū)??！?/p>

弗朗西斯·黑爾岑（Francis Halzen）也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文臺的負責(zé)人,，領(lǐng)導(dǎo)著這個在南極冰層下測量穿過地球的宇宙中微子的實驗項目,。“我們追逐的是與中微子振蕩相關(guān)的新的物理,，這就意味著我們也許會發(fā)現(xiàn)中微子具有標(biāo)準(zhǔn)模型之外的相互作用，也許會發(fā)現(xiàn)在3種標(biāo)準(zhǔn)中微子之外,，還有惰性中微子也參與其中，”他說,，“甚至發(fā)現(xiàn)完全在我們預(yù)料之外的什么東西”。

他們也都指出,，目前的問題在于中微子源。接下來的實驗計劃中有長基線中微子項目,，由費米實驗室運行,。它將發(fā)射一束密集中微子,，穿過數(shù)百公里的地層,，到達一個重達數(shù)千噸的大型探測器。另一個項目是英國至日本中微子工廠,，計劃在英國產(chǎn)生密集中微子束轟擊在世界另一端位于日本的探測器,。這兩個實驗項目都需要數(shù)十年的建造時間和數(shù)十億美元的投入。

不過魯比亞說,，這些都物有所值,。“這是一個有可能做出新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域,，但是我們不知道新的發(fā)現(xiàn)將來自何方,，因此必須鼓足功敗垂成的勇氣,，虛心以待,?！?/p>

編譯自：《新科學(xué)家》，Neutrinos – the next big small thing