寻找中微子中的“隐士”

寻找中微子中的“隐士”

在本刊2022年第10期《新物理学的曙光来了》一文中，我们谈到，底夸克衰变的异常(不过目前还未被完全证实)可能预示着新物理学的曙光。

其实，通向新物理学的门早在上个世纪末就已经被撬开了一条缝，而且这条缝近来又有进一步扩大的迹象。不过，这里的主角是另一种基本粒子——中微子。

中微子简史

我们知道，原子是由原子核和核外电子组成的。有些原子核不稳定，会发生衰变。有一种衰变叫β衰变，在β衰变中，原子核发射一个电子，衰变成电荷数+1的另一种原子核。

1930年，物理学家发现，β衰变似乎违反了能量守恒定律，因为衰变之后的总能量要小于衰变之前的能量。为解释这个谜，有物理学家甚至提出“在微观世界能量守恒定律不成立”这样极端的想法。

但奥地利物理学家泡利却另辟蹊径，提出了一个更让人信服的解释。他说，也许在β衰变中，原子核还发射出一种微小的、不带电荷的未知粒子，正是它携带走了部分能量。

这种不带电荷的未知粒子被称为“中微子”。中微子与其他粒子既没有电磁力作用，也无强核力作用，只有弱核力作用，所以极为孤僻，以当时的技术条件，根本无法探测。直到1956年，才在实验室被捕捉到。

在接下来的几十年里，物理学家发现中微子有多种类型，或者说有多种“味(代)”。有些中微子是泡利最初预言的那种，与电子有着密切的联系，叫e型中微子;但也有一些中微子与电子的“表兄弟”μ子和τ子有关，分别称为μ型中微子和τ型中微子。这三种中微子被编进了粒子物理学的标准模型。

但中微子的故事仅仅是个开始。碰巧的是，在宇宙中，我们有一个巨大的中微子源——太阳。太阳发生核聚变，每秒钟发射出数以万亿计的e型中微子，其中每秒大约有100万亿个穿过你的身体。然而，早在1960年代，物理学家在测量到达地球的e型中微子数量时发现，他们只检测到理论预期的25%。

这个“太阳中微子失踪之谜”困扰了物理学家数十年，直到1990年代末才真相大白：原来，中微子可以在三种不同类型之间变身，这叫“中微子振荡”。e型中微子在从太阳到地球的途中，一部分变身为μ型中微子和τ型中微子，这就难怪我们探测到的e型中微子少了。

理论上，只有当中微子有质量的时候，才会变身。中微子振荡，意味着中微子有质量，可是，在粒子物理学的标准模型中，中微子是没有质量的。所以，“中微子有质量”这一事实，突破了标准模型，为我们通向新物理学的门撬开了一条缝。

中微子可能是马约拉纳粒子

中微子质量的发现开启了另一个话题：中微子的手性。在谈这个话题之前，让我们先来了解一下，什么是手性。

我们知道，微观粒子都有自旋。现在，请你拿出右手，竖起拇指做一个握拳的手势。如果你的右手拇指指向粒子的运动方向，而其余四指卷曲，恰好顺着粒子的自旋方向，我们就说，这个粒子具有右手性。反之，我们就说，这个粒子具有左手性。

手性一般来说与参照系有关，并不是恒定不变的。为什么呢?因为粒子的自旋不论顺时针还是逆时针转，在所有参照系中都是不变的，但粒子的运动方向却随着参照系的不同，而改变方向。譬如，一个粒子当你站在静止的地面观察，它沿着AB方向运动;可是当你在一枚比它还快的火箭上观察，它却是在沿着BA方向运动。在不同参照系中，自旋方向不变，但运动方向变了，由此一来，在地面看来粒子是左手性的，在火箭上看来就成了右手性。

既然手性与我们选择的参照系有关，就像运动速度不是粒子的本质属性一样，那手性就不是粒子的固有属性。

但是，有一类粒子是例外，它们的手性是绝对的。换句话说，它的手性不随参照系的改变而改变。这类粒子就是静止质量为零的粒子。因为静止质量为零，按照相对论，它们只能以光速运动。而光速是自然界运动的极限，我们不可能坐到一个超过光速的参照系上去观察这些粒子。如此一来，它们的手性就不会发生变化。手性成了这类粒子的固有属性。

在标准模型中，中微子是没有静止质量的，所以手性是它们的固有属性。而中微子有了静止质量之后，意味着手性就不再是它们的固有属性。而是与一些有质量的粒子，如电子或夸克一样，既有左手性的，又有右手性的。

但奇怪的是，迄今为止，我们所观察到的中微子全部都是左手性的，而反中微子全部是右手性的。没有人观察到过任何右手性的中微子或者左手性的反中微子。于是有人提出，也许中微子的反物质粒子就是它自身。换句话说，中微子和它的反粒子事实上是同一种粒子。

在物理学上，当一种粒子的反粒子是它自身时，我们称其为“马约拉纳粒子”。比如光子就是马约拉纳粒子。很多物理学家猜测，中微子可能也是马约拉纳粒子。这话暂且按下不表。

惰性中微子假说

我们再回头看中微子的另一个谜——现有的三种中微子为何质量如此之小?

我们知道，粒子的质量涵盖了一个很广的范围。譬如，质子和中子的质量大约是电子质量的1800倍，希格斯玻色子的质量大约是质子的100倍。最重的顶夸克则是质子质量的大约185倍……

这些粒子的质量尽管相差悬殊，但中间毕竟还有其他质量介于两者之间的粒子。譬如μ子的质量是电子的207倍，介于电子和中子之间。有了这样的过渡，不同粒子的质量差异也就显得不那么突兀了。

但在质量倒数第二的中微子(质量倒数第一的是光子)和倒数第三的电子之间，巨大的鸿沟依然存在。迄今的实验证实，中微子的质量很小，只有一个电子质量的百万分之一，甚至更小。中微子和电子之间，质量相差100万个量级。为什么中微子的质量如此之小呢?

有人提出，也许还存在着一种(或者好几种)质量更大的中微子。这样就把横亘在电子和中微子之间的鸿沟填平了。但是，为什么我们迄今未发现它们呢?他们又说，因为它们藏得更隐蔽罢了。譬如，已知的三种中微子虽然孤僻，但毕竟还参与引力和弱核力两种相互作用，而这些中微子甚至更孤僻，也许只参与引力作用。一句话：可能存在一类更孤僻的中微子。我们不妨称之为“惰性中微子”。

如果惰性中微子存在，那就打破了中微子只有三“味”的说法，对于粒子物理学的标准模型，又是一个重大突破。

惰性中微子解释宇宙之谜

假如惰性中微子存在，还可能有助于回答关于宇宙的另两个大问题。

首先，惰性中微子还是暗物质粒子的理想候选者。暗物质是一种神秘的物质，占宇宙物质总量的85%左右。它们跟普通物质可能仅有引力和弱核力作用，几乎跟中微子一样孤僻。人们一度把现有的三种中微子列入暗物质的候选者。但物理学家很快意识到：它们的质量太小，能否占据宇宙质量那么大的份额，值得怀疑;此外，它们的运动速度太快，似乎难以聚集成团。但如果有质量更大的惰性中微子存在，这些就不再是问题。

其次，如果惰性中微子存在，或许还可以解释我们这个宇宙为何能够存在。

我们知道，宇宙大爆炸之初，粒子和反粒子在数量上是严格相等的，它们在相互湮灭之后，应该什么也不会剩下，也就不会有我们现在这个主要由物质组成的宇宙。

但是，假如存在大质量的惰性中微子(质量大，意味着它不稳定，容易发生衰变)，情况就不同了。我们前面说过，中微子可能是一种马约拉纳粒子。惰性中微子当然也如此。这有什么好处呢?因为这种粒子既是物质粒子，又是反物质粒子，它在衰变的时候，可以任意地衰变成其他的物质粒子和反物质粒子。衰变是一种随机的过程，物质粒子和反物质粒子的数量没必要非得严格相等，于是，只要衰变成的物质粒子比反物质粒子稍微多那么一点点，等到该湮灭的都湮灭了之后，剩余的物质粒子依然足可形成星系、恒星和行星。

寻找中微子中的“隐士”

普通的中微子已经不容易探测，每1万亿个中微子中只有不到一个会被我们探测到，可想而知，惰性中微子就更难探测了。但尽管如此，物理学家还是在实验中发现了它们的一些蛛丝马迹。

第一个实验要追溯到1990年代，当时物理学家在一项名为液体闪烁器中微子探测器(LSND)的实验中观察μ型中微子振荡成e型中微子。他们在相对较短的距离(30米到500米之间)发射一束μ型中微子，并在另一端测量有多少变成了e型中微子。我们从其他实验中知道，μ型中微子在这么短的距离内直接振荡成e型中微子的概率是很低的。但物理学家发现，在这次实验中他们测量到的e型中微子比预期的要多。

第二个实验来自核反应堆。与太阳一样，核反应堆也是一个强大的中微子源。然而，物理学家发现，核反应堆产生的e型中微子似乎比标准模型预测的要少大约6%。

一方面产生的e型中微子比预期的多，另一方面却比预期的少。到底发生了什么?有人提出，也许是惰性中微子在捣鬼。

在第一个实验中，如果假设一些μ型中微子变成惰性中微子，然后惰性中微子又变成e型中微子，这就可以解释为什么探测到的e型中微子比预期的要多。在第二个实验中，如果假设核反应堆出来的一些e型中微子变成了惰性中微子，就可以解释为什么e型中微子比预期的要少。

不过，目前物理学家对这两个实验还存在争议。最近的一次实验似乎没看到这种异常。科学家们将继续利用世界各地的中微子探测器进行搜索，以证实异常到底存不存在。