互动科普

作为粒子王国中最奇特的成员，中微子或许将很快为人们开启一扇通往全新领域的大门。

撰文：马丁·赫希（Martin Hirsch） 海因里希·帕斯（Heinrich Päs） 沃纳·波罗德（Werner Porod） 翻译：王栋

中微子的确让人捉摸不定，它的奇特性质使其能毫无阻碍地穿过几乎所有物质，包括物理学家在粒子探测器里使用的材料。实际上，大多数中微子都能畅通无阻地穿过地球，其间甚至根本不会同另一个粒子相撞。然而，泡利的担心最终被证明有点太过悲观了：中微子还是能被探测到的，虽然这需要大量的工作，还有设计精巧的实验。

从其他一些角度来看，中微子也是基本粒子中最古怪的。它们不能构成原子，也不参与任何化学反应；它们是唯一呈电中性的物质粒子；它们的质量极其微小，连第二轻的物质成分（电子）的百万分之一都不到。除此之外，与其他粒子相比，中微子还最“善变”：它们能在三个“身份”（称为“味”）之间来回转换。

在过去的80多年里，这些微小的粒子让物理学家可谓“步步惊奇”。即使到了今天，有关中微子的基本问题仍未弄清楚：中微子只有三个“味”，还是有更多？为什么中微子都那么轻？中微子是自身的反物质“同伴”吗？中微子为什么会如此频繁地变换“身份”呢？

在世界各地的粒子对撞机、核反应堆和废弃的矿井里，新一批科学实验正在进行，希望能解决这些问题。它们给出的答案，应该能够提供一些基本线索，让我们去了解自然界内部的运作原理。

中微子的奇特性质让它就像高悬夜空的“北极星”，在物理学家们向着“大统一理论”前行的艰苦旅程中，为他们指引着方向。作为目前为止关于粒子和力的最好理论，粒子物理学标准模型还无法解释中微子的全部复杂特性，所以必须对它进行扩充。

中微子有多重？

要想将中微子“完美”嵌入标准模型，目前最流行的手段是引入一种新的实体——称为“右手”中微子。“手征性”是电荷的另一种形式的表达，它决定了粒子能否感知弱相互作用（或称为弱力，是放射性衰变背后的“推手”）。因为只有“左手”粒子才能感知到弱力，所以这些假想中的“右手”中微子将比它们的“左手”同伴（标准模型中经过实验证实的中微子）更难以捕捉。所有中微子都被归为轻子（囊括范围更大的一类粒子，其中也包括电子），意味着它们无法感知强相互作用（将原子核中质子和中子结合在一起的力，也称为强力）；由于不带电，中微子同样无法直接感受到电磁力。这样一来，对已知的三种味的中微子来说，能感受到的只剩下引力和弱力了。但对于右手中微子来说，它甚至对弱力都无动于衷。

如果右手中微子存在的话，它将为另一个中微子之谜提供一个很好的解释：三种左手中微子——电子中微子、µ子中微子和τ子中微子的质量为什么都如此之小？

多数基本粒子的质量，都是通过与无处不在的希格斯场相互作用而获得的。去年，“希格斯”成为了一个家喻户晓的名字。当时，瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider）研究组宣布，他们发现了一种新粒子，符合物理学家一直在找寻的希格斯波色子（希格斯场的对应粒子，就像光子是电磁场的对应粒子）的特征。在同希格斯场相互作用的过程中，粒子电荷的弱相互作用形式会被希格斯粒子带走。因为右手中微子没有这种“荷”，所以它们的质量不依赖于希格斯场，而是在大统一的极高能量上，来源于一种完全不同的机制，这将让右手中微子具有巨大的质量。

量子效应能将右手中微子与它们的左手同伴联系起来，其中一个的巨大质量会“传染”给另外一个，虽然这种“传染性”很微弱——如果右手中微子“患了肺炎”的话，左手中微子只不过会有一点“咳嗽”而已，即左手中微子的质量将非常微小。这种联系被称为“跷跷板”理论（seesaw mechanism），因为大质量会引发，或者说“抬起”较小的质量。

关于中微子质量的另一种解释来源于超对称性——一个超越标准模型的新物理现象的主要候选理论。在超对称性假说中，标准模型中的每一种粒子都有一个还未被发现的同伴。这些被称为“超对称粒子”（superpartner particle）的质量一定极其巨大，所以才一直未被探测到。如果超对称粒子存在的话，基本粒子的数量将至少立刻翻一番。LHC应该有能力产生它们，并测量到它们的性质。

超对称性最引人入胜的特性之一是，一类被称为中轻微子（neutralino）的超对称粒子是暗物质的候选物质之一。暗物质存在于星系和星系团中，既不发光，也无法通过其他途径来直接探测，但它们拥有质量，能产生引力。只要能在长时间尺度内保持稳定，而不是很快衰变成其他粒子，中轻微子就符合作为暗物质的条件。

所以，如果中轻微子的寿命很短，研究暗物质的科学家就只能“竹篮打水一场空”，但这对中微子物理学家来说却是一个好消息。中轻微子的稳定性依赖于假想中的一个性质，叫做R宇称（R-parity），该性质能防止这种超对称粒子衰变成为标准模型中的任何普通粒子。然而，如果R宇称破缺的话，中轻微子就不稳定，而且它的衰变速度在一定程度上取决于中微子的质量。

本文作者赫希和波罗德，以及西班牙瓦伦西亚大学的何塞·巴勒（José Valle）、葡萄牙里斯本技术大学的若热 ·C·罗芒（Jorge C. Romão）提出，中微子和中轻微子之间的联系能在LHC上得到验证。如果中轻微子的稳定性确实依赖于中微子，中轻微子的寿命可以根据已知的中微子性质推测出来。而很巧的是，这种超粒子的存在时间，应该足以让物理学家在LHC里追踪到它们从产生到衰变的整个“生命旅程”。

中微子的反粒子是什么？

关于中微子极小质量的起源，所有合理的解释都指向物理学中目前还未开发的新领域。然而，这些解释之一——“跷跷板”理论，或许还与物质为何远多于反物质这一谜团有关。物质和反物质之间的不平衡，让宇宙结构得以形成，并最终带来生命的出现和演化。

标准模型中的每一种粒子，都有一个带相反电荷的反物质同伴，就像漫画里的圣斗士和黑暗圣斗士一样。例如，电子携带的电荷为-1，反电子（或称为正电子）携带的电荷就为+1。当电子和正电子相撞时，两者电荷相互抵消，并以辐射爆发的形式一同湮灭。右手中微子完全不带电，这或许意味着一个重要结果：对中微子来说，它的反物质同伴就是自己。在物理学术语中，电子和正电子被称为“狄拉克粒子”（Dirac particle）；与之相对，一种自己就是自身反物质同伴的粒子，称为“马约拉纳粒子”（Majorana particle）。

如果“跷跷板”理论能够精确地反映粒子世界的运行机制，那么左手中微子从右手中微子那里“传染上”的不仅仅是质量，还有马约拉纳性。换句话说，如果有一些中微子是它们自身的反粒子，那么所有的中微子都是如此。

中微子及其反粒子是同一个东西，这将带来许多奇妙的后果。例如，中微子能够触发粒子和反粒子之间的转化。在大多数粒子反应中，都存在所谓的“轻子数守恒”，即轻子数目减去反轻子数目的差值不变。然而，中微子有可能破坏这个规则，从而造成物质和反物质的不平衡。对我们人类来说，这种不平衡性的存在是非常幸运的，因为如果大爆炸后物质和反物质是一一对应的，它们将全部相互湮灭，就不会留下构成星系、行星和生命的物质材料。物质为何远多于反物质的原因，已经让物理学家和宇宙学家们困惑很久了。

消失的反中微子

探索中微子及其反粒子之间的联系，并不一定非得在上面提到的这些看似诱人、实则未定的理论中钻牛角尖。关于中微子是否确为自身的反粒子这个疑问，许多以前进行过的，以及现在正在进行的实验都在试图寻找明确的答案。这些实验采用的方法是，寻找一类被称为原子核双β衰变（nuclear double beta decay）的放射性事件。

中微子和反中微子是在原子核β衰变中首次被发现的。在这个过程中，原子辐射出一个电子，并伴随着释放出一个反中微子。在某些核同位素中，两个β衰变可以同时发生。通常情况下，它们会辐射出两个电子和两个反中微子。然而，如果中微子是马约拉纳粒子的话，一个衰变中辐射出的反中微子，就能被另一个衰变过程吸收。最终的结果是，双β衰变不会辐射出任何中微子或反中微子。因此在那一瞬间，在一个本身没有轻子的地方，两个轻子（电子）会在没有反轻子（反中微子）伴随的情况下出现（而通常情况下，轻子和反轻子会同时出现）。换句话说，这种所谓的无中微子双β衰变（neutrinoless double beta decay）违反了轻子数守恒定律。

目前寻找无中微子双β衰变的工作，往小了说是对马约拉纳中微子，往大了说是对轻子数守恒定律的最佳测试。从原理上来讲，无中微子双β衰变实验很简单：准备一些能同时发生β衰变的核同位素（例如锗76），然后就等着看，有没有两个无中微子伴随的电子出现。然而实际上，这一实验是非常困难的。任何种类的双β衰变都极其罕见，所以科学家必须准备大量的锗或其他源材料，以期能记录到无中微子的衰变事件。更糟糕的是，来自宇宙线的亚原子粒子流会持续不断地倾泻到地球上，来自双β衰变的微弱信号很容易就会被这些粒子流完全淹没。所以，实验科学家必须把他们的探测器埋放在地下深处，或安装在废弃的矿井之类的地下实验室里。在这些地点，探测器上方的岩石几乎能完全屏蔽掉宇宙线。

到目前为止，唯一一次发现无中微子双β衰变的报告，来自于意大利“海德堡—莫斯科双β衰变实验”（Heidelberg-Moscow Double Beta Decay Experiment）。然而不幸的是，这个实验一直受到其他物理学家的强烈质疑。新一代探测器有的已开始采集数据，还有的在建设准备过程中，它们将进行更彻底的搜寻。美国新墨西哥州的EXO-200实验，和位于日本的KamLAND-Zen实验，都于最近发表了搜寻无中微子双β衰变研究的第一批数据。这些数据同先前的结论有所出入，但也没有明确否定。

2011年开始运行的意大利GERDA实验，与海德堡—莫斯科实验使用同一种同位素，但实验方案有所改进，研究目标直指海德堡—莫斯科实验那充满争议的发现。除了还在继续进行的EXO-200和KamLAND-Zen两个实验之外，位于意大利的一部名为CUORE的设备也预计将于2014年开始采集数据。这么多正在进行的先进实验让人们有理由期待，无中微子双β衰变能够在这个十年结束之前得到确认。

中微子为何善变？

无论是寻找目前还未被发现的新中微子，还是证明中微子和反中微子的同一性，都将为这些已经足够诡异的粒子蒙上又一层神秘面纱。不过，在探寻这些新特性的同时，物理学家也在绞尽脑汁，继续钻研中微子的一个虽经充分验证，却仍不甚明了的性质背后的机理——即它们在不同味之间的极端易变性。我们在文献中的说法是：同夸克（构成质子和中子的基本粒子）味的混合度相比，轻子的“味破缺”（或者说中微子混合度）很明显。

世界上许多科学家都在研究，如何用最近提出的自然对称性（明显不同的力和粒子之间的关键共性），来解释这种现象。其中一个例子是：对称性是以一种已知粒子转变为另一种已知粒子的形式而天然存在的。印度萨哈核物理研究院（Saha Institute of Nuclear Physics）的高塔姆·巴塔查里亚（Gautam Bhattacharyya）、德国多特蒙德技术大学的菲利普·莱塞（Philipp Leser）以及本文作者帕斯最近发现，这些对称性能显著影响希格斯场。能改变味的夸克和中微子与希格斯场的相互作用，会产生希格斯粒子，而这一现象应该能在LHC里观测到。这一发现将指向中微子极度易变性背后的机制，而且它必将成为LHC最令人瞩目的发现之一。

同时，还有一些科学家试图通过另外一系列实验确定，中微子各种味的转变究竟有多频繁。长距离实验（例如日本的T2K、美国明尼苏达州的MINOS，以及意大利的OPERA实验）可以探测产生于数百千米外粒子加速器发出的中微子束，以测量它们在地球内部长距离穿行后“味”的改变。这些实验的空间尺度很大，以至于中微子将在它们的旅途中越过州界，甚至国境线。（2011年，OPERA实验成为了全世界的新闻焦点。当时，该研究项目的物理学家宣布，在他们从CERN向意大利地下实验室发射中微子的实验中，中微子的飞行速度似乎超过了光速。但这个测量结果很快就被证明是不准确的。）作为这些长距离中微子实验的补充，法国的Double Chooz项目、中国大亚湾核反应堆中微子实验，以及韩国的RENO实验，都在测量核反应堆中的中微子在较短传播距离上的振荡（即转化）。

就在刚刚过去的2012年里，这些实验最终确定了最后一个，也是最小的一个所谓“混合角”，它是控制中微子在不同味之间转化的参数。最后被确定的这个混合角名为“反应堆角”，它描述了一个电子中微子或反中微子在短时间内的转化几率。这些对反应堆角的测量带来了一个可能性，即未来的中微子实验或许能够比较中微子和反中微子的特性。随着无中微子双β衰变研究的进行，粒子及其反粒子同伴之间的不对称性（称为CP破缺），将能解开宇宙中物质多于反物质的谜团。

正在进行的研究之中，日本T2K实验很可能会首先发现CP破缺的迹象。但是，在新一代中微子实验之间，竞争也是十分激烈的。目前，美国在建的长时程NOvA实验，同样具备揭示中微子CP破缺的能力。NOvA将产生一束穿过地层的中微子，从位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室出发，横穿威斯康星州和苏比利尔湖的一角，最后抵达810千米外位于明尼苏达州灰河（Ash River）的探测器。

NOvA实验还将弄清楚中微子的质量等级——即确定哪些中微子最轻，哪些最重。目前物理学家只知道，至少有两种中微子的质量不为零。但是，由于这些幽灵般的粒子具有如此多的奇特性质，我们并不了解关于它们质量的太多细节。

萦绕的迷雾

随着这么多研究目标、实验方案和粒子源都各不相同的中微子实验逐步开展和运行，世界各地产生的各种各样的数据有时也会带来互相矛盾的结论。在这些最诱人，也是最具争议的实验结果之中，有一个结果或许暗示，宇宙中存在一种名为“惰性中微子”的新粒子。

正如泡利在1930年所担心的那样，惰性中微子只能通过非直接手段来探测，和“跷跷板”理论里质量很大的右手中微子一样。（然而，从理论物理学角度来说，这两种假想粒子几乎是互斥的，有此必无彼。）即便如此，仍有两个实验可能已经捕捉到了惰性中微子的踪迹。上世纪90年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室运行的LSND实验发现，一些初步却有争议的证据表明，存在一种难以捉摸的中微子味的转化——µ子反中微子变成电子反中微子。费米实验室从2007年开始产生数据的MiniBooNE实验，同样发现了这种转化的迹象。然而，LSND和MiniBooNE振荡实验的结果，都不符合标准的三味中微子理论。

根据量子力学原理，只有在具有质量的前提下，中微子才能在三种味之间振荡，而且这三种味的质量还必须彼此不同。中微子质量的变化能触发中微子的转化，这就能解释LSND和MiniBooNE实验发现的反常现象，但这有一个先决条件：除已知的外，必须还存在其他的质量差别；换句话说，需要存在四种，而不是三种中微子。多出来的这个中微子同弱力耦合，将会使Z波色子（弱力的携带者）衰变过快，所以这种粒子根本无法同弱力相互作用。因此，“惰性”这个名字的来由是：这种假想中的中微子同“粒子王国”里的成员几乎完全没有交流。

那些捕捉核反应堆产生的中微子的各种探测器，同样记录到了令人惊奇的结果，暗示了惰性中微子的存在。来自多个反应堆的实验数据均显示，在很短的飞行距离上，电子反中微子存在异常消失的现象。如果根据中微子振荡理论来解释的话，这暗示了惰性中微子的存在。其实，这种异常现象的发现已经有一段时间了，而最近对不同反应堆中微子产出量的重新计算，更加强化了这种新粒子存在的证据。

即便如此，这些仍然只是惰性中微子存在的间接证据，而且还比较粗略，甚至相互矛盾。在搜寻一种出了名的难以捉摸，甚至还可能压根就不存在的粒子的过程中，这些都是很正常的。然而，MiniBooNE和一个称为MicroBooNE的姊妹实验（目前正在费米实验室建设），或许很快就能带来一些关于这种粒子的更加确切的证据。此外，研究核反应堆中微子振荡的新一批实验，例如Double Chooz、大亚湾和RENO，也都在进行这项工作。

巨大的高能LHC，和那些探测不起眼的中微子的低能（相对而言）实验能够如此相辅相成，为人们铺筑了一条探索大自然内在机制的道路，这本身就是一件了不起的事。在沃尔夫冈·泡利提出“无法被探测的粒子”的80多年之后，中微子仍然严格守卫着自己的秘密。但是，揭开这些谜团所能带来的巨大回报，将证明人们数十年来探究中微子秘密的努力不会白费。

本文译者：王栋毕业于中国科学技术大学近代物理系，目前在美国弗吉尼亚理工大学攻读博士学位。