中微子有多重

( 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的中微子探测器内部 )

是否能深刻了解一种基本粒子，这种基本粒子似乎没有质量，也几乎不与其他物质发生相互作用。这个任务听起来就像是要在自家的车库里找到那条隐身的、喷出无声无色也没有温度的火焰的龙，既荒谬又不可能。现在一群粒子物理学家就面临着这样的困境，他们要研究一种鬼魅般的粒子——中微子，他们想知道中微子到底有多重。

虽然宇宙中的谜团还有很多，暗物质和暗能量的本质问题却一直困扰着物理学家。人们目前对这两个谜团还知之甚少，甚至连暗物质的构成形式（是不是和普通物质一样是由基本粒子构成）还不能完全肯定，对中微子却不同，这种基本粒子因为极其微小，却又如此常见，对它的深入研究对于理解宇宙的起源和演化过程都有着极为重要的作用。实际上，中微子的确切质量成为一个物理学问题也只有十几年时间，在此之前，物理学家们一直以为中微子没有质量。

中微子被发现的过程与众不同。1930年12月，物理学家沃尔夫冈泡利（Wolfgang Pauli）为了解决beta衰变过程中的质能不守恒问题，在给一个学术会议的信件中首次预测了一种不带电基本粒子的存在，他最开始命名这种粒子为“中子”（Neutron），但是这个名字随后在1932年被查德维克发现的目前人们所熟知的中子占用，随后被恩里克费米改名为中微子（Neutrino）。费米采用了泡利关于中微子的预测，并且把它用到自己在1934年发表的关于beta衰变的理论中。可是问题在于，人们如何去发现一种不与任何物质发生相互作用又极为轻盈的基本粒子？泡利甚至担心自己做了一个永远也不可能被验证的科学假设。

所幸随后研究核裂变的实验为物理学家提供了大量的中微子，在20世纪50年代，伴随着核武器的研究，物理学家们开始建设一些灵敏的液态中微子探测器，试图收集中微子与液体原子发生相互作用的闪光信号，最终才在美国加州南部的一个实验室里，为了隔绝宇宙射线的干扰，在12米地下的一个核反应堆附近，利用一个含镉的探测器成功证明了中微子的存在。

至今为止，诺贝尔物理学奖已经三次授予因为对中微子研究做出重要贡献的科学家，可是人类至今对于中微子的性质仍然了解得极其有限。直到发现中微子30多年之后，在1998年人类才发现它具有极其微小的质量。物理学家们了解到，虽然在标准粒子模型中中微子与电子等基本粒子同属于轻子类别，但中微子的质量还不到电子质量的百万分之一。在目前已经发现的三种中微子——电子中微子、muon中微子和tau中微子之间，人们还不知道它们的具体质量各是多少，甚至也不知道这三种中微子哪种最重，哪种最轻，它们之间的质量关系是什么；而且如果muon中微子和tau中微子像有些物理学家预测的一样，具有相同的质量，那么就说明它们内部还有更为复杂的结构使这两种粒子区分开，也就说明中微子并不是不可分的基本粒子。就是因为了解得太少，实验中也就更容易出错，OPERA实验项目在2011年曾经爆出冷门，探测到了速度超光速的中微子，举世轰动，但是后来证明也只是实验器材出错，虚惊一场而已。

测量不同种类的中微子的精确质量，关系到一个更加重要的问题：中微子为什么会具有质量？实际上，目前描述所有基本粒子性质的标准粒子模型，在最初正是为了预测中微子不具有质量，随后标准粒子模型不得不进行修改，使中微子可以具有质量。但是中微子得到质量的方式似乎也与其他粒子不同，人类发现的其他绝大多数粒子似乎都是通过与遍布宇宙中的希格斯场发生相互作用而具有质量，中微子似乎并不能够与希格斯场发生相互作用，那么它只能通过另外一种机制而获得质量，如果可以测量出它们的精确质量，很多粒子物理学家就可以迅速修正他们的理论。

还有另外一个难题困扰着物理学家，中微子是否就是它们自身的反物质？目前人们已经探明，基本粒子都拥有自己的反粒子，当一个粒子与它的反粒子相遇就会发生湮灭现象，如果中微子既是正物质又是反物质，是它自身的反粒子，那么当两个中微子相遇，它就会与其自身发生湮灭，如果可以证实这一点，也可以帮助物理学家解释，为什么在宇宙中理应数量相当的正反物质相差巨大，在宇宙演化中，正物质是如何胜出的。

在美国费米国家实验室正在进行的一个名为NOvA的中微子实验项目，正是打算通过从伊利诺伊州旅行到明尼苏达州的中微子束精确测量中微子的质量。费米国家实验室的物理学家们使高速运动的质子打入碳原子核，这个过程会碰撞产生出一些新粒子，这些粒子随后会发生衰变，产生出中微子。这些中微子会从伊利诺伊州穿过地球，经过800公里的路程后，到达明尼苏达州。在这个过程中，一些中微子会发生振荡——改变身份变成另外一种中微子，粒子物理学家想通过探测中微子的振荡比例来测量它们的精确质量。

在明尼苏达州建设的电子中微子探测器重达1.4万吨，由排列成网格结构的内部充满液体的塑料管构成，这已经是世界上最大的塑料结构装置。尽管绝大多数中微子都只是会穿过这个探测器不留下任何痕迹，但在极其特殊的情况下，不同类型的中微子会与探测器中的液体原子发生相互作用，使原子释放出不同类型的粒子，如果释放的是一个电子，探测器就会发出闪光，记录探测到一个电子中微子。尽管这种情况每天只会发生几次，但是经过长期记录数据之后，就可以建立起从费米实验室出发的muon中微子振荡成为电子中微子的模型，这可以为物理学家计算中微子的确切质量提供新线索。NOvA实验可以同时测量中微子和反中微子，它将比较这两种粒子发生振荡的差别，同时也与其他中微子实验项目进行数据比较。

2014年9月24日，中国科学院国家天文台、加拿大理论天体物理中心和中科院上海天文台的几位物理学家在《物理评论快报》（PRL）杂志发表论文《通过相对速度测量中微子质量》（Measurement of Neutrino Masses From Relative Velocities），他们认为中微子在引力作用下，相对于冷暗物质和普通物质会产生一个较大的速度场，通过精密观测星系大尺度结构，有可能测出中微子的质量，这也为测量中微子的质量提供了另外一个理论方法。

太阳本身就是一个巨大的中微子发射源，地球上的人类始终沉浸在中微子的密雨中无处躲避，每一秒钟都有数以百亿计的中微子穿过我们的身体，而我们则对此一无所知。有物理学家相信，理解中微子是人类解开很多宇宙学谜团的关键，这也许需要从了解中微子的精确质量开始。

（本文写作参考了《科学美国人》杂志与费米实验室的网站介绍） 中微子多重