中微子

李沃龙

仅有少数的物理学家能有幸为世界引入一种新的基本粒子。沃尔夫冈·泡利在1930年想到中微子这个概念时，内心的疑虑使他对此粒子有所保留。泡利稍后告诉同事：“我做了件可怕的事，我假设有一种无法被侦测到的粒子存在。”

中微子确实难以捉摸，它如鬼魅般的本质，使它几乎不受阻碍地穿越物质，包括那些物理学家在粒子探测器中所使用的材料。事实上，大部分中微子可利落地穿透地球而不碰触到其他粒子。不过，泡利的忧虑稍微夸张了些：中微子其实是可以被侦测到的，虽然需要花费极大的力气并设计精巧的实验才能成功。

中微子是最奇特的一种基本粒子：它们不能用来建构原子，也不会与其他物质作用；它们是唯一不带电荷的物质粒子；它们非常轻，质量不到电子这种次轻物质质量的百万分之一；此外，中微子还是所有粒子中最善变的，它们可在三种形态间变换身份。

80余年来，这些微小粒子一直令物理学家感到惊讶。直至今日，一些关于中微子的根本问题仍悬而未决：中微子的形态真的只有三种，抑或更多？为何所有的中微子都如此轻？中微子的反物质是否就是它自己？为什么中微子可以如此轻易地变换身份？

针对这些问题所设计的新实验，正在世界各地的粒子对撞机、核反应器，甚至废弃的矿坑里如火如茶地进行着。所获得的答案，应该能对大自然的内在运作方式提供基本线索。

中微子的奇异特性可作为一盏明灯，指引物理学家迈向大统一理论（该理论除了重力之外，所有的粒子与作用力，都可用条理一贯的数学架构描述）。标准模型是目前关于粒子与作用力的最佳理论，但它无法包括中微子的所有复杂性质，因而亟须扩展论述。

在标准模型上扩充中微子的部分，最常用的方式是引入一种被称为右旋中微子的新粒子。正如电荷规范粒子的电性多寡一样，自旋决定了一个粒子能感受到弱核力，即造成放射性衰变的作用力；只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此，这些假设存在的右旋中微子，必然比那些已经被实验证实的左旋中微子更难以捉摸。所有的中微子都被归类为轻子，这代表它们并不会感受到强核力。由于不带电荷，中微子也不会受电磁力的影响。如此一来，三种已知形态的中微子能感受到的只剩下重力与弱核力，但右旋中微子甚至不受弱核力的影响。

如果右旋中微子真的存在，它将合理解释另一项中微子之谜：为何电子中微子、缈子中微子与T中微子这三种左旋中微子的质量如此微小？

大多数基本粒子通过与无所不在的希格斯场作用，来获得它们的质量。2012年，在瑞士日内瓦附近欧洲核子研究组织LHC工作的物理学家宣布，他们已辨识出一种新粒子，其性质符合长期寻找的希格斯玻色子，希格斯便成了一个家喻户晓的名字。此玻色子是希格斯场所对应的粒子，就像光子是电磁场所对应的粒子一样。在此过程中，希格斯粒子会带走与其作用粒子的弱核力版本的电荷。由于右旋中微子缺乏这种电荷，它们的质量并不取决于希格斯场。取而代之的是，这些质量或许源自一种发生于大统一时全然不同的极高能机制，造就右旋中微子成为超重粒子。

量子效应可联结右旋中微子与其左旋兄弟，使得其中一方将其巨大的质量“传染”（infect）给其他粒子。不过，这种传染力非常微弱：例如右旋中微子若得了肺炎，左旋中微子只会有轻微的咳嗽，这意味左旋粒子的质量将极微小。这一关系被称为“跷跷板机制”，就像是右旋中微子与左旋中微子在跷跷板的两端，而质量较大的粒子会将质量较小的粒子抬起。

中微子质量的另一项解释来自于超对称，那是标准模型之外的新理论选项。在超对称的假设下，每个标准模型里的粒子都拥有一个尚未被发现的伴子。这些被称为超伴子的质量必定非常巨大，以至于到今天仍无法侦测到，而且它们至少会立即将基本粒子的数目加倍。假如超对称粒子真的存在，LHC或许能产生它们，并测量它们的性质。

超对称理论最吸引人的特色之一，是有一种称为中性伴子的超对称粒子，很适合用来解释暗物质，这些物质构成星系与星系团的大部分质量，能够施展重力但却不发光，也不会以其他明显的方式将自己显露出来。不过，只有当中性伴子能长期稳定存在，而不是迅速衰变为其他粒子时，才能够作为暗物质。

因此，短命的中性伴子将会把研究人员送回黑板前重新构思，但可能对物理学家不无益处。中性伴子的稳定性取决于一种被称为R-宇称的假设性质，它可防止超伴子衰变成任何普通的标准模型粒子。但是，如果R-宇称不存在，中性伴子将变得不稳定，而其衰变有一部分取决于中性伴子的质量。