聊聊你周圍無處不在的中微子每日速讀

發(fā)布時間：2023-04-25 02:32:53 來源：中科院物理所

作者簡介 /Profile/

楊金磊，中科院理論物理研究所19級博士研究生。

(資料圖片)

導師：張肇西研究員

研究方向：粒子物理與場論

中微子和電子一樣都是費米子（費米子是自旋為半整數(shù)的粒子），是存在自然界最基本的粒子之一，但和電子不同的是中微子是電中性的（不帶電），而且中微子的質(zhì)量不到電子質(zhì)量的500萬分之一。

在地球上，時時刻刻都有無數(shù)個中微子穿透我們的身體，甚至大約每秒鐘就有10億個中微子穿過我們的眼睛，這些數(shù)量極大的中微子大部分來自于太陽（其他部分來源：宇宙射線、核反應(yīng)堆等），是由太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)產(chǎn)生的。

那為什么這些中微子穿透人體之后不僅沒有造成任何傷害，而且被穿透的人也沒有任何感覺？這是因為中微子是電中性的，不參與電磁作用，只參與非常弱的弱作用，所以會直接穿透人體而不發(fā)生任何反應(yīng)。不僅如此，來自太陽的中微子到達地球后絕大部分也都會直接穿透地球繼續(xù)傳播（被地球擋住的概率只有100億分之一）。那么這樣一個“看不見摸不著”、質(zhì)量極小、穿透力極強又無法通過常規(guī)電磁手段觀測的粒子是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？

中微子的發(fā)現(xiàn)繞不開一個非常重要的過程: β衰變。在19世紀末，法國物理學家Henri Becquerel發(fā)現(xiàn)了鈾的衰變之后，科學家們就開始關(guān)注原子核的 β衰變過程。

圖1：中子衰變成質(zhì)子、電子和反電子中微子的過程，即β衰變過程。

剛開始，原子核β的衰變過程被認為是一個原子核衰變成另一個電荷+1的原子核并放出一個電子，即： (A,Z)→(A,Z+1)+e? 。根據(jù)能動量守恒，這個放出來的電子的能譜一定是不連續(xù)的。但令人驚訝的是，1914年的測量結(jié)果表明衰變所放出電子的能譜是連續(xù)的（原子核衰變是不同核能態(tài)之間的躍遷，如果末態(tài)只有子原子核和電子的話，那么電子能譜應(yīng)該是量子化的，即測量得到的電子能譜應(yīng)該是離散的，而不是連續(xù)的）！這個結(jié)果在1920年的測量中得到了進一步的證實。當時著名的丹麥物理學家Bohr認為，這個實驗結(jié)果表明能量不一定是守恒的，顯然這個觀點在后來被證實是錯的（目前未觀測到任何表明能量不守恒的現(xiàn)象）。1930年奧地利理論學家Pauli提出了另外一個觀點，他假設(shè)存在一個非常輕、自旋為1/2的電中性粒子，在β衰變過程中帶走了一部分能量，導致了電子能譜是連續(xù)的，即真正的衰變過程應(yīng)該是 (A,Z)→(A,Z+1)+e?+v1ˉ,這個就是我們現(xiàn)在所說的電子反中微子，即第一代中微子的反粒子。

Pauli提出的這個假設(shè)開啟了中微子領(lǐng)域的研究。1936年德國物理學家Hans Bethe提出通過逆 β衰變過程

來證明電子反中微子的存在。1956年美國實驗學家Frederick Reines和Clyde Cowan首次完成了反應(yīng)堆反中微子實驗，驗證了Pauli的假設(shè)，他們的發(fā)現(xiàn)獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。1962年，美國實驗學家Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger通過新的加速器實驗發(fā)現(xiàn)了第二代中微子v2，并獲得了1988年的諾貝爾獎。1967年美國理論學家Weinberg和Salam將Higgs機制引入了Glashow的弱電理論，建立了我們所熟知的粒子物理標準模型，預言了存在第三代中微子v3。在標準模型里面，中微子是無質(zhì)量的，且不同代的輕子之間沒有混合（所謂混合，就是指中微子在傳播的過程中會改變代數(shù)，例如在源處產(chǎn)生的第一代中微子 v1在傳播過程中由于量子相干效應(yīng)可能會在探測器處變成第二代中微子 v2 ，也可能會變成第三代中微子 v3 ）。1968年對太陽中微子的觀測表明，太陽中微子的含量小于標準太陽模型的理論預言，這是第一個實驗觀測表明中微子有很小的質(zhì)量，且不同代的中微子之間可以相互轉(zhuǎn)化。2000年，美國費米實驗室宣布發(fā)現(xiàn)了第三代中微子 v3，這是標準模型預言的最后一個被發(fā)現(xiàn)的輕子。至此，我們所知道的三代中微子全部被發(fā)現(xiàn)。

在中微子被發(fā)現(xiàn)的過程中我們提到了1968年對太陽中微子的測量，這是第一個表明中微子有質(zhì)量且會振蕩的實驗現(xiàn)象。

圖2：中微子振蕩現(xiàn)象，即三代中微子之間可能會相互轉(zhuǎn)化。

后來又進行了一系列實驗進一步測量了中微子的振蕩現(xiàn)象，如我國的大亞灣中微子實驗（反應(yīng)堆中微子實驗）、日本的Kamlanzen、美國的MINOS等?，F(xiàn)在中微子振蕩現(xiàn)象的測量取得了巨大的進展，已經(jīng)測得三代中微子之間的質(zhì)量平方差為

在上式中 NH（normal hierachy）表示三代中微子的質(zhì)量是正常順序，即 m_v1 < m_v2 < m_v3, IH（inverse hierachy）表示三代中微子質(zhì)量是反常順序，即 m_v3 < m_v1 < m_v2,這表示現(xiàn)在已經(jīng)取得的中微子振蕩實驗觀測結(jié)果還無法確定三代中微子的質(zhì)量順序（確定中微子的質(zhì)量順序也是未來中微子實驗的重要目的之一）。三代中微子之間的混合角為

雖然我們已經(jīng)測到了三代中微子之間的混合角，但是現(xiàn)有的實驗結(jié)果仍然無法給出中微子混合的CP相角。

從上面的實驗測量結(jié)果我們可以看出中微子不僅有非常小的質(zhì)量，而且三代中微子之間有混合（振蕩）的現(xiàn)象。但是前面提到了，在標準模型里中微子是沒有質(zhì)量的，因為在標準模型里面中微子沒有右手分量，所以不能像其他的費米子一樣通過Higgs機制獲得質(zhì)量，自然也就不會振蕩。那么中微子究竟是如何獲得質(zhì)量的呢？研究中微子的質(zhì)量起源以及中微子性質(zhì)是現(xiàn)在理論物理研究最重要的方向之一。我們現(xiàn)在仍然無法確定中微子的是Dirac粒子（正反粒子不同，標準模型中預言的中微子是Dirac粒子）還是Majorana粒子（正反粒子都是自身）。從這兩種中微子的性質(zhì)出發(fā)，中微子在理論上有不同獲得質(zhì)量的方式：

一、Dirac粒子：

如果中微子是Dirac粒子，那么中微子獲得質(zhì)量最簡單的方式是直接在標準模型中引入右手單態(tài)中微子vR~(0,0,1)，其中 (0,1,1)分別表示弱荷為 0、 SU(2) 單態(tài)和 SU(3) 單態(tài)。然后中微子就可以像其他的費米子一樣通過Higgs機制獲得質(zhì)量：

其中 Yv是相應(yīng)的湯川耦合系數(shù)、 v≈246GeV是Higgs場的真空期望值。通過引入右手單態(tài)使中微子像標準模型中的其他費米子一樣獲得Dirac質(zhì)量，但是不一樣的是這樣引入的右手中微子單態(tài)弱荷為0，即除了湯川相互作用，右手中微子不參與任何弱相互作用。除此之外，通過這種方式得到的中微子質(zhì)量，必須滿足中微子振蕩實驗和PLANK對中微子質(zhì)量的約束，這就要求 Yv<10?12，如此小的耦合常數(shù)在理論物理學家們看來是不自然的。

二、Majorana粒子

另外一種使中微子獲得質(zhì)量的方式是引入Majorana質(zhì)量項，通過see-saw機制（“蹺蹺板機制”）使中微子獲得輕Majorana質(zhì)量。

圖3:“蹺蹺板”機制

這個方式最開始是由著名的理論物理學家Weinberg提出，也是目前中微子在大部分新物理模型中獲得質(zhì)量的主要方式。典型的Type-I seesaw就是通過引入右手的中微子單態(tài)和新的標量場，新的標量場破缺之后使新引入的中微子右手單態(tài)獲得大Majorana質(zhì)量項 MR。結(jié)合Dirac質(zhì)量項 MD，相互作用本征態(tài)下中微子的質(zhì)量矩陣形式為

在上式中 n表示新引入的中微子右手單態(tài)數(shù)量。近似對角化之后可以得到三代輕中微子的質(zhì)量矩陣約為

從上面的表達式可以看出，之所以這種機制被稱為蹺蹺板機制，就是因為通過大的 MR在分母上，將Dirac質(zhì)量項 MD“蹺”起來自然的得到很輕的中微子質(zhì)量。

雖然現(xiàn)在的實驗還不能確定中微子的性質(zhì)和質(zhì)量起源，但是理論物理學家們關(guān)于中微子的研究一直在推進，提出了更多的中微子質(zhì)量起源方式（如Type II see-saw、Type III see-saw、inverse see-saw等），也廣泛地研究了中微子獲得質(zhì)量后所引起的可觀測效應(yīng)（如原子核的無中微子雙貝塔衰變、介子輕子味改變衰變、重子輕子味改變衰變、同號輕子對撞機上的輕子味改變過程和輕子數(shù)改變過程等），實驗觀測也在如火如荼地進行。期待不久的將來，實驗測量結(jié)果能告訴我們更多關(guān)于中微子的秘密！

參考文獻（滑動查看）

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