中微子振荡带来的谜团
来源:中科院半导体所发布时间:2022-03-26995浏览
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来源：万象经验
作者：Eugene Wang
中微子是亚原子世界的神秘幽灵，是唯一只与弱力相互作用的粒子（引力太小通常被忽略不计）。弱力也非常微弱，所以它很少与其他任何东西相互作用，它们大多都是穿过物质而不留下痕迹，因此经常被称为幽灵粒子。虽然一开始我们只假设存在一种中微子，但事实证明存在三种不同的变体。一类中微子与电子有关称为电子中微子，另外两类中微子与电子的表亲μ子和τ子有关，因此它们被分别称为μ中微子和τ中微子。科学家用希腊字母ν来表示中微子，用下标来告诉我们它是什么中微子。
科学家发现存在不同风味的中微子的方式是，中微子似乎记得它们的起源。例如，1962年的一项实验创造了与μ子串联的中微子，如果随后一个中微子碰撞到原子核中，那么碰撞只会产生μ子，而不会产生电子或τ子。中微子记得它是如何制作的，这一观察也获得了1988年的诺贝尔物理学奖。
中微子缺失之谜由于观察到的中微子具有不同的类型，科学家认为他们对中微子的理解已经相当完整了。然而，当他们继续研究时，中微子却给了他们惊喜。1964年，一位科学家想研究源自最大核反应堆——太阳的中微子。他知道中微子可以与氯相互作用并产生氩，他还知道中微子的相互作用非常微弱，因此他需要大力量的氯原子才能完成这个实验。于是他用四氯乙烯装满了泳池大小的实验装置，预计一周会产生十个氩原子。然而，他没有找到预期的十个原子，他只观察到了三个。对此最简单的解释是测量错误，但许多后续实验重复了他的结果。这也就意味着，他探测到的中微子比预期的还要少，这被称为太阳中微子失踪之谜。
中微子的另一个来源是宇宙射线。来自宇宙深处的高能质子不断撞击大气层中的原子核，由此发生的强子衰变产生了大气中微子。根据理论计算，产生的每电子中微子与μ中微子的比例为1：2。但许多实验都观察到了不同的比例结果，μ中微子比实验预期的还要少或电子中微子比预期的还要多，这也被称为大气中微子问题。
在1950年代后期，意大利物理学家布鲁诺·庞特科尔沃假设不同风味的中微子可能会相互振荡。如果这个想法是真的，那么一束电子中微子可以逐渐变成μ中微子，然后又变回电子中微子。中微子振荡的第一个令人信服的证据出现在1998年，使用的是日本的超级神冈探测器实验，证实了中微子的身份会发生改变。中微子振荡能很好地解释上述两个谜题。在过去的20年内，科学家们利用粒子实验室制造的中微子束研究了中微子振荡，这些实验在理解中微子振荡方面取得了巨大的进展。
中微子质量之谜中微子的振荡也很奇怪，因为这只有在有质量的情况下才会发生，但我们不知道中微子的质量从何而来。其他基本粒子获得质量的方式是它们与希格斯玻色子耦合，但是这种机制需要粒子同时具有左手性和右手性，然后希格斯玻色子将它们耦合在一起。但是，到目前为止，我们只见过左手中微子，因此它与希格斯机制的关系尚不清楚，我们尚不知道它的质量从哪里来。
有两种想法可以解决这个问题。第一个想法假设右手中微子存在但非常重，所以我们还没看到它，因为创造它们需要大量的能量。第二个想法是假设中微子与其他自旋为1/2的粒子有所不同，它的左手版本和右手版本完全相同，这被称为马约拉纳粒子。但无论哪种方式，我们目前对中微子的理解都缺少一些东西。
编辑：近水楼台
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