老家族的隐形成员

（文 / 苗千）

( 欧洲核子研究中心的大型重子对撞机 )

瑞士日内瓦附近的欧洲核子中心（CERN），在它的明星机器——大型重子对撞机（LHC）进行升级改造的同时，正在计划建造另一个体型庞大而且耗资巨大的探测器。这个尚在筹划中的项目计划耗时3年，预计花费1.1亿美元，是为了证实一种在理论上无法直接探测的基本粒子是否存在。这个目前仅存在于理论中的粒子，如同其他很多尚未被证实的物理学理论一样，被物理学家们寄予厚望，希望它可以帮助物理学家打开新物理学之门。这并非都是奢望，因为这种假想中的粒子来自于一个给物理学带来了无穷困扰和希望的家族——中微子家族。

中微子是由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在20世纪30年代，为了解决Beta衰变的质能守恒问题而首先提出的一种基本粒子，在25年后被实验发现证实。中微子家族自从被发现，就带给了物理学家们足够的困惑，主要原因在于它们极为特殊的性质：这些基本粒子不带电，因此不会与其他粒子发生电磁相互作用。目前包含了所有已知基本粒子的“标准模型”起初在预言这种粒子的性质时认为它们没有质量，但是随后物理学家们发现了中微子一种非常奇特的性质。在已经发现的三种“味道”（Flavor）的中微子——电子中微子、Muon中微子和Tau中微子之间会发生相互转变，这种现象被称为中微子振荡。这个现象也告诉物理学家们，中微子肯定具有质量。因为根据狭义相对论，没有质量的粒子以光速运动时，相对于它的时间静止，一种“味道”的中微子就不可能发生振荡而转变为其他“味道”。后来物理学家们测得这几种中微子具有极微小的质量，只相当于电子质量的千万分之一，因此这种粒子可以接近光速运动；它们只在极其特殊的情况下与原子核相撞而发生弱相互作用，因此也就很难探测和捕捉。

人们还记得在2011年，意大利格兰·萨索（Gran Sasso）实验室的OPERA项目组发表论文，声明他们探测到中微子飞行的速度超过了光速，一时间物理学界沸沸扬扬，大量论述中微子超光速机制的论文被发表出来。尽管之后证明这是由于实验设备的误差所致，中微子实际上仍然未能超越光速而打破相对论的束缚，OPERA项目组也迅速发表声明推翻自己之前的结论，但是这个消息在物理学界引发的震动现在显然仍然没有消退——对于这种如同鬼魅的粒子家族，人们仍然对其充满厚望，希望它可以带给物理学更多的启发。而欧洲核子中心正在规划中的新探测器，正是为了探测一种被物理学家们怀疑了数十年，但是仍未被发现的第四种中微子——惰性中微子。这种仍然存在于理论中的中微子，其性质远比其他中微子更为奇特。

10多年来，物理学家们在粒子物理、核物理、空间物理和宇宙学等领域都发现了惰性中微子存在的蛛丝马迹，但是这些证据却都不足以证明惰性中微子确实存在。尽管有很多粒子物理学家认为惰性中微子的存在可以解决很多物理学难题，但是也有很大一部分粒子物理学家认为惰性中微子压根儿就不存在。之所以会出现这样让物理学家们感到左右为难的情况，是因为在理论上，惰性中微子有着极为特殊的性质——它除了具有质量外，不与目前已知的任何粒子发生作用，惰性中微子之间也不相互发生作用。但是物理学家们如今下定了决心，要尽快确定惰性中微子是否存在这个重大问题。

人类目前已经探明的三种中微子已经极难探测，这种基本粒子因为极轻，几乎不受引力的制约，因此在大多数时候它们可以穿行于宇宙中而不受任何阻碍。我们的身体每秒钟都被数百亿的中微子穿行而过，而我们却毫无察觉。常规三种中微子只在直接和原子核相撞，与之发生弱相互作用时才会被人们所探测到，为此人们不得不用数百吨的矿物油或是重水作为中微子探测器。

( 奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利 )

在1998年，欧洲核子中心证明，理论上只有三种“味道”的中微子可能会发生弱相互作用，其他种类的中微子即使存在也不会具有这种性质，因此被称为“惰性中微子”，惰性中微子甚至连常规的中微子探测器也无法探测到。那么，物理学家们为什么会怀疑有这样一种奇怪的中微子存在，又怎样证明它的存在呢？

尽管显得都不那么令人信服，但是物理学家们同时在天空和地下发现了惰性中微子存在的证据，让他们不得不认真考虑这种粒子存在的可能。另一方面，这种只参与引力相互作用的基本粒子也是几十年来让物理学家们迷惑不已的“暗物质”的最佳候选者，因此，物理学家们一旦可以确定惰性中微子的存在，就有可能把物理学拓展到一个包含了暗物质的更为广阔的领域。

从2001年起，美国航空航天局的威尔金森微波各异向性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，即WMAP）就开始探测宇宙背景辐射在宇宙空间的微小波动。通过绘制宇宙背景辐射的地图，物理学家们就有可能知道在宇宙诞生初期，处于极高温度和密度条件下，“粒子汤”形态的早期宇宙情形。而根据WMAP绘制的宇宙背景辐射地图，在宇宙诞生的初期，有可能中微子的“味道”是四种而不是三种，这就为惰性中微子的存在提供了空间。但是，就连绘制宇宙背景辐射地图的首席研究员、约翰·霍普金斯大学的物理学家查尔斯·班尼特（Charles Bennett）也承认，目前测量的数据并不十分精确，由于统计误差的原因，在宇宙诞生初期，中微子的种类也有可能只有三种。

有一种理论认为，如果惰性中微子真的存在，它们可能会在衰变为其他类型的中微子时放射出极其微弱的X射线，虽然无法直接探测到惰性中微子的存在，但是惰性中微子衰变时放射出的X射线则有可能被人们探测到，这也将是惰性中微子存在的证据。在地球轨道上运行的钱德拉X射线天文台（Chandra X-Ray Observatory）把它的望远镜对准宇宙中恒星或是其他光源都稀少但是暗物质聚集的区域，在天文台工作的科研人员声称，他们在一个环绕银河系运动的矮星系处，探测到了预期的X射线，这些X射线可能是由聚集的惰性中微子在衰变时放射出来的。但是问题同样存在，这些观测到的X射线，也有可能产生于其他原因，仍然不是惰性中微子存在的直接证据。

虽然发现不与其他物质发生相互作用的惰性中微子近乎是一个“不可能完成的任务”，但是物理学家们仍然没放弃对它的探求。更有说服力的证据则来自于地面，在1993到1998年间，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的液体闪烁中微子探测器在中微子探测实验中，发现其存在的可能。在这里工作的物理学家们发射反中微子粒子束，然后通过一个注入了167吨矿物油的中微子探测器进行探测。他们发现，Muon反中微子振荡成为电子反中微子的比率远高于预期，因为中微子振荡的比率主要是由不同种类的中微子之间质量差别决定，因此在理论上，质量是其他中微子上百倍的惰性反中微子的存在就可以完美地解决Muon反中微子转变为电子反中微子的比率问题。在这个过程中，Muon反中微子可能首先转变成为惰性反中微子，而后惰性反中微子又转变成为电子反中微子，这个中转过程使得物理学家们观测到的Muon反中微子转变为电子反中微子的比率远高于预期。美国费米国家实验室的MiniBooNE项目随后利用中微子进行实验，并没有中微子振荡的异常现象，但是当他们选择利用反中微子进行实验，则同样发现了与液体闪烁中微子探测器相似的反中微子振荡异常现象，这正是目前惰性中微子存在的最有力的证据。

惰性中微子如果真的存在，对于天体物理学与核物理学都有重大意义，它将是暗物质的最佳候选者，同时也会大大拓展人们对于“标准模型”的理解。正因为如此，欧洲核子中心才决定通过建造最新型的惰性中微子探测器解决这个问题。欧洲核子中心将通过它的超级质子同步加速器引导质子束轰击一个固体目标，产生出大量的Muon中微子通过位于400米和1600米处的两对中微子探测器，分别探测Muon中微子和电子中微子的数目变化，这样的两组探测器的灵敏度将远高于一组探测器。如果观测到中微子束在运行过程中数目发生了明显变化，则会说明惰性中微子在其中参与了中微子振荡过程，这个基本粒子的家族就会增添一个“隐形”的成员。 基本粒子家族科学中微子隐形成员