2030年前物理学家或将破解中微子质量顺序之谜

单丁鹤纷

物理学家有望在2030年前解决中微子质量顺序问题



图1 过去35年间世界各地进行的实验收集的数据，使得中微子平均质量的最佳估计值越来越好（图中显示了每次测量的误差）。最新结果（插图）显示不确定性范围更窄，非常接近于零。最新估计表明中微子质量至少比电子轻50万倍。
想象一下，有人递给你三颗不同口味的口香糖球。你被告知其中一颗比其它的重，而另一颗较轻。但到底是哪颗呢？如果这几块糖几乎没有任何重量，有时还会互换口味，甚至当你试图把它们捡起来时，它们大多会直接穿过你的手掌，这时让你区分它们将是个无比艰巨的任务。
这正是试图掌控被称为“中微子”这种幽灵般亚原子粒子的物理学家们所面临的真实困境。当前理论认为，这些极其微小的粒子有三种类型（或称“味”），它们充斥着整个宇宙，却极少与我们熟悉的普通物质发生相互作用。尽管这些粒子的数量惊人，却异常难研究。然而，破解中微子究竟有多重以及哪种中微子最重的难题，对粒子物理学家来说至关重要。
物理学家们煞费苦心建立起描述自然界所有粒子和相互作用力的“标准模型”，该模型明确指出中微子没有任何质量。但是，观测结果却证实，中微子实际上具有极小的质量。这是物理学标准法则中一个令人头疼却又至关重要的例外，并对其他理论产生了深远的影响。
对于任何想要理解宇宙的人来说，解决这个问题势在必行。好消息是，物理学家们正在取得极好的进展，并且极有希望在短短几年内弄清中微子质量的顺序，他们确信这一目标能在2030年之前实现。“我认为无论结果如何，我们都会找到强有力的证据，”美国西北大学的理论物理学家安德烈·古维亚（André de Gouvêa）说道。
尽管中微子可能很“害羞”，但它们却无处不在：它们是宇宙中数量仅次于光子（光粒子）的第二多的物质。“对于宇宙中第二多的物质，我们却知之甚少，这确实有点奇怪是吧？”哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿圭列斯（Carlos Argüelles）感叹道。中微子可产生于太阳和恒星内部的核反应、穿过大气层的宇宙射线，以及其他宇宙和地球上的物理反应。核电站和粒子加速器也能产生中微子。据推测，每秒钟地球上每平方厘米的面积里有数百亿个中微子穿过，而我们毫无察觉。
近一个世纪以来，中微子一直是个未解之谜。20世纪30年代，物理学家为了解释放射性衰变中某些令人困惑的特性，首次构想出了这种粒子。直到1956年才首次在实验上探测到。那时，科学家们还认定它没有质量。然而，从20世纪60年代末到90年代，探测器发现来自太阳的中微子数量远少于预期，这甚至让一些人一度担心我们的太阳是不是快要“熄火”了。但事实证明，这些狡猾的中微子在飞行过程中，在三种类型（“味”）之间自发切换（或称“中微子振荡”），导致许多中微子逃避了探测。根据爱因斯坦的相对论，这一观测结果意味着中微子必然具有一定的质量。
“中微子喜欢捣乱。这正是我们觉得它们有趣的原因，”阿圭列斯说，“它们总爱做些本不该做的事。”奇妙的是（量子世界常常如此），中微子被认为是由三种底层的质量态组成，它们以不同的概率相互混合，最终表现为实验中所探测到的三种中微子：电子中微子、μ中微子和τ中微子。其中有一种质量态最重，而另一种最轻。这些质量态的排序有两种可能性。电子中微子主要由最轻的质量态组成，τ中微子含有更多较重的态，而μ中微子介于两者之间，这就是在所谓的正向排序。但情况也可能恰恰相反。在反向排序中，电子中微子由最重的质量态组成，τ中微子则更轻。究竟哪一种排序才是对的？
事实证明，回答这个关于质量排序的问题，比精确测量中微子到底有多重更简单，因为答案可以通过检查中微子味振荡的细节来找到。即便如此，为了回答这个“简单”的问题，仍需要一系列耗资数百万美元的大型实验和数年的时间。