中微子，開啟通向新物理學的大門

（文/Robert Adler）「王冠下的腦袋總是難以安穩，」莎士比亞的這句話，同樣可以送給今天粒子物理學的標準模型。這是迄今為止對物質基元及其相互作用最為成功的描述。最近找到的非常類似希格斯玻色子的粒子，讓這個理論更加冠冕堂皇，因為這不僅證實了一個近40年之前的預言，而且填補了這個理論最後的空白。不過我們並未就此滿足，反倒更為迫切地希望將標準模型拉下馬來，去尋找那些最終必然超越它的嶄新物理篇章。「標準模型就是粒子物理學，」諾貝爾獎得主傑克·施泰因貝格（Jack Steinberger）說，「但很多問題目前仍無望回答。」

這些問題包括暗物質的本質，即這種據信佔據宇宙80%質量的神秘不可見物質究竟什麼？然後還有暗能量，它被認為是宇宙加速膨脹的推手，而粒子物理學家將它的強度高估了10¹²⁰倍，可謂錯得前無古人後無來者。標準模型還無法回答物質如何逃脫大爆炸，如何將引力納入其中。不僅如此，它還備受所謂「自由參數」（free parameter）的困擾，這些數值不能由標準模型自身得到，必須人為放進模型中，而且數值也是任意確定的，比如對模型內相互作用強度的設定就是如此。

消解這些難題需要新的物理。研究者曾寄希望於希格斯粒子，但由於希格斯粒子目前表現得基本上中規中矩，也許通向標準模型之外的物理新世界的鑰匙並不在它身上，而藏身於另一種粒子：中微子。

2011年9月，中微子曾一度街知巷聞，當時深埋於義大利大薩索山山體下的OPERA實驗項目宣稱，測量出中微子的傳播速度超過光速，直接違背了愛因斯坦的狹義相對論。6個月之後，這個結果被證實源自實驗本身的一處差錯。即便鬧了烏龍，這些讓人著迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我們去發現。

中微子如幽靈一般，不但神秘而且孤僻，因為它們幾乎不與周圍的物質世界發生相互作用。有關中微子的這些謎團都超出了標準模型的能力之外。我們目前知道3種中微子，它們看上去井井有條，分別和電子及電子的兩個更重的表親——μ子和τ子組成一對，構成完整的輕子家族。但一開始，標準模型就錯誤地假設，中微子的質量為0，而且直到今天都無法在模型框架內確定中微子的質量。因此，標準模型也沒能預見到中微子能在3種形態之間來回變化，更別說存在更多種中微子的可能性了。

很多新的理論希望填補這些缺陷，這其中包括大統一理論、超對稱和弦論。它們當中的某一個，或許解釋中微子為何如此奇異，從而拔得頭籌。反過來，中微子本身則會告訴我們，哪個理論才是眾望所歸。

儘管超然於世外，中微子在物理學史上一直有著救場粒子的美名。著名物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）當初構想出這些粒子，就是為了挽救β輻射中能量和動量的守恆。最近，中微子又在解釋宇宙中的物質為何遠遠多於反物質的努力中充當起了先鋒，用美國弗吉尼亞理工大學理論物理學家帕特里克·胡貝爾（Patrick Huber）的話來說，「中微子能讓你進入另一個世界，原因很簡單，它跟我們這個可見的世界幾乎沒有多大的相互作用」。

粒子物理的標準模型，雖然包含了三味中微子，但無法解釋它們的質量及許多其他異常現象。圖片來源：《新科學家》味道變換

標準模型對中微子描述的第一道裂縫，出現在16年前。在那之前，很多物理學家都跟隨標準模型，假設中微子沒有質量。但是到了1998年，日本的超級神岡實驗證實情況並非如此。中微子總是偏愛和電子、μ子和τ子中的某一種一起被發射和吸收，就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此，它們也被相應地分成3種味（flavour）：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。超級神岡研究了來自不斷轟擊地球大氣層的宇宙線中的μ子中微子，發現它們能夠在穿透地球的過程中變身為電子中微子。其他一些實驗則對核反應堆、粒子加速器及太陽核衰變過程中產生的中微子進行了探測，同樣證實了這種現象的存在。無論中微子發射出來時屬於那一種，在傳播過程中都會變成什錦冰淇淋一樣的味道混合體，每個冰淇淋球都包含了所有的3種味道。按照量子力學，要想這種變換有可能發生，中微子必須具有質量。實際上，我們現在認識到，每種味的中微子在傳播過程中都會變成一個周期變化的混合態，而且這3種混合態各不相同。

這就給我們出了個難題。「中微子質量告訴我們標準模型需要被拓展，但它沒有告訴我們如何去拓展，」美國亞利桑那州立大學的理論物理學家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）說。與之相對，某些大統一理論，即那些希望更進一步統一除引力之外所有自然力的嘗試，確實預言了有質量的中微子。因此，準確確定中微子的質量，能幫助理論物理學家判斷，哪種理論值得追隨。「人們對這些大統一理論已經猜了幾十年，它們對粒子質量各有各的解釋，」美國麻省理工學院的喬·福爾馬焦（Joe Formaggio）評論道，「但如果你弄出個理論來解釋質量，總得有個實際質量作為參照吧。」

測量一個能輕易穿透一光年厚鉛板的不可見粒子，這說起來容易做起來難。捕捉中微子是個耐心活，要用足夠大的探測器，還要盯足夠長的時間，直到那極其微小的相互作用概率終於顯現一次。用這樣的方法，我們已經在兩個截然不同的尺度上追蹤到了中微子：亞原子世界和浩渺宇宙。70年前，恩里克·費米（Enrico Fermi）就預視到，可以通過測量β衰變來測量中微子的質量。在一個典型的β衰變中，原子核內的一個中子變成質子，同時放射出一個電子和一個電子反中微子。儘管反中微子無法直接探測到，費米卻勾勒出一種方法，通過伴隨電子的能量和動量，推測出這個反中微子的質量。但是，由於中微子的質量實在太輕，直到目前，我們仍沒有達到所需的探測靈敏度。不過，德國卡爾斯魯厄理工學院正在搭建一台名為KATRIN的極為靈敏的實驗裝置，有可能在未來幾年將第一個測出中微子質量的榮譽攬入懷中。

與此同時，對中微子質量的另一個嚴格限制來自宇宙：粒子會在各種地方留下自己的指紋——在大爆炸和超新星爆發產生的元素混合中，在宇宙膨脹速率中，在微波背景輻射中，抑或是在物質聚合成星系和星系團的過程中。

眾多宇宙學測量的結果綜合表明，3種中微子的質量加起來不能超過0.3電子伏特（eV），僅有質量排名倒數第二的電子質量的不足百萬分之一。美國費米實驗室的宇宙學家斯科特·都德爾遜（Scott Dodelson）感嘆道，「對我而言，通過觀察所有的星系和星系團，竟然能探測出如此微小粒子的質量，實在是激動人心。」英國牛津大學的弗蘭克·克洛斯（Frank Close）則認為，我們應當用心對待這些蛛絲馬跡，「我們還沒明白這一切有多妙不可言」。2013年出爐的、對普朗克空間天文台宇宙微波背景輻射觀測結果的分析，進一步修正了我們對3味中微子質量之和的限制。

要從這個質量之和里區分出單獨某味中微子的質量非常困難，因為它們總是處在不斷變換之中。不過測量這種振蕩也可以給我們提供參考，對目前最佳數據的分析給出最輕的中微子質量大約在0.05電子伏特。

不過事情並未水落石出。「為什麼與其他東西比起來，中微子的質量小得如此出奇，這仍是怪事一樁，」克洛斯解釋說，「似乎它們本來想無事一身輕，但被宇宙算計了。」

好像這3種「正常」中微子還怪異得不過癮似的，某理論甚至提出，可能還有一種或幾種「惰性」（sterile）中微子，暗暗跟隨著它們。正常中微子還能感受到弱核力，因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下，惰性中微子卻不同——它們只能感受到引力，從而完全不與普通物質發生相互作用。惰性中微子對理論物理學家頗有魅力，因為發現它們就可以跳出標準模型的樊籬，而且不僅可以解釋暗能量，甚至能直達物質本源問題。「它們還有可能參與了標準模型之外、我們迄今還沒發現的新的基本相互作用，」費米實驗室的理論物理學家鮑里斯·凱瑟（Boris Kayser）補充說。

日本的超級神岡中微子探測器，發現了標準模型對中微子描述的第一道裂縫。圖片來源：qiwencun.com物質為王

過去幾年間，在實驗中已經蹦出一連串反常事件，指向一種甚至幾種質量大概為1 eV的惰性中微子。這個質量既不滿足標準模型，也不在大統一理論的預言範圍之內。所以，只要證實它們的確存在，研究者夢寐以求的新物理就唾手可得了。

最近，由近200位中微子專家組成的國際研究小組發表的一篇關於惰性中微子的「白皮書」，折射出大家對此的興趣正在升溫。該白皮書描繪了21個或正在進行、或計劃實施、或還在提議中的捕捉惰性中微子的實驗。「一大堆研究機構都對此興奮異常，」歐洲核子物理中心的物理學家、諾貝爾獎得主卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）談到，「我們希望能很快看到進展。」

除了惰性中微子，研究者還在追蹤另一項寶藏——尋找中微子和反中微子之間的差異。這將有助於解釋，為什麼我們這個宇宙中是物質佔據了主導。按照目前我們對宇宙學和粒子物理學的最佳理解，物質和反物質在大爆炸中被創造出來，數量應該是相同的。接下來就是一場相互作用的風暴，物質和反物質本應短兵相接，同歸於盡，只留下光子充斥整個宇宙。然而很明顯，事情並不是這樣發生的。「為什麼宇宙完全由物質構成，對此我們還沒有很好的答案，」美國麻省理工學院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）評論說，「這實在是個讓人很尷尬的問題」。

美國哈佛大學的亞歷山大·索薩（Alexandre Sousa）說：「這大概是關於這個宇宙，我們能提出的最為根本的問題了。中微子能為我們打開一扇窺探這個問題的窗口。」

這扇窗口就是所謂的輕子生成理論（leptogenesis），它依賴於一種被稱為CP破缺的現象。所謂CP破缺是說，在你觀察一個粒子反應的同時，另一個在鏡子中的人觀察由這個粒子的反粒子發生的同一種反應，你們看到的反應速率會稍有差別。這種現象在由夸克構成的複合粒子中已經被實驗證實，但觀察到的速率差別不足以解釋為何大爆炸創造的反物質蕩然無存。輕子生成理論則假設，在大爆炸後的第一微秒內，年輕而熾熱的宇宙包含極重的不穩定惰性中微子，後者很快就發生衰變，其中一些衰變成輕子，剩下的則衰變成這些輕子的反粒子——關鍵在於，這兩種衰變的速率不同，這個差異只需要很小，小到十億分之一，就可以讓物質最終取勝，在消滅所有反物質之後，仍能有足夠的輕子留存下來，最終形成質子和中子，繼而產生恆星，星系和行星。

人們認為，這些重惰性中微子和它們在標準模型中的同伴，在早期宇宙中相互糾纏難解難分，之後經由一種名為翹翹板機制（see-saw mechanism）的物理過程，普通中微子在極熱的宇宙中通過與這些重夥伴的相互作用，獲得了自己輕得離奇的質量。如果這幅輕子生成的圖像是正確的，我們就應當觀察到中微子和反中微子之間同樣存在輕微的差異。

到目前為止，實驗物理學家還沒有發現任何令人信服的中微子CP反常。美國費米實驗室的MINOS項目曾在2010年製造過一場小小的波瀾，宣稱發現μ子中微子及其反中微子在長距離傳輸過程中，各自的味道混合方式存在微小差異。但到了2012年，積累了更多數據之後，這個差異又不見了。

不過，瞥見CP破缺的勝算還是不小的。2012年，中國大亞灣核電站中微子實驗項目的研究人員對一個名為θ13的參數進行了測量，這個參數描述了中微子如何在不同味之間來回變換。如果θ13數值比較小，就意味著CP破缺很難被發現，如果是零就完全排除了CP破缺的可能性。讓研究者寬心的是，測量出來的θ13大得有點讓人意外，暗示在實驗中發現CP破缺的可能性很大。美國伊利諾伊西北大學的理論物理學家安德烈·德戈維亞（André de Gouvêa）說：「我想我們現在已經大局在握了。」第一個詳細結果可能會來自於費米實驗室的新星（Nova）項目，它建造的賣點就是最有可能探測到中微子CP破缺。用索薩的話說，「新星是未來10年唯一能對此一探究竟的實驗。」

不過即便中微子真的表現出CP破缺，故事也沒結束。只有當包括惰性中微子在內的所有中微子都是所謂的馬約拉納粒子（Majorana particles）時，輕子生成理論才會起作用。這意味著，跟標準模型中大多數粒子不同，這些中微子與它們的反粒子完全相同，通過翹翹板機制獲得質量。

如果確實如此，我們應該能觀測到一種名為無中微子雙β衰變（neutrinoless double beta decay）的過程，而標準模型對這種過程一籌莫展。在通常的β衰變中，一個中子變成質子，同時放出一個電子和一個電子反中微子。有些原子核則能同時發生兩個β衰變，此時應該有2個電子反中微子發射出來。但如果反中微子和相應的中微子完全相同，這兩個反中微子就相當於一個中微子－反中微子對。如此一來，剛一發射，它們就會相互湮滅成2個光子，結果整個核反應只產生了2個光子和兩個電子。

「無中微子雙β衰變是證明中微子就是馬約拉納粒子的目擊證人，」美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的艾倫·蓬（Alan Poon）解釋道，「它能向理論物理學家透露很多信息，提示他們如何修正標準模型，而且它還可以聯繫到極早期宇宙，關係到為什麼物質比反物質要多。」

無中微子雙β衰變的另一個誘人之處在於，中微子的質量會影響該反應的速率，讓我們得以同時確定中微子的質量。「你可以一箭雙鵰，一手抓住最輕中微子的質量，一手證明中微子是馬約拉納粒子，」加拿大女王學院的粒子天體物理學家阿特·麥克唐納（Art McDonald）對此充滿期望。

眼下，只有一個小組聲稱觀察到了無中微子雙β衰變，這個俄－德合作小組在2002年發表了對鍺原子衰變的研究工作，但其他實驗都未能再現他們的結果。新的發現來自位於美國新墨西哥州卡爾斯巴的濃縮氙觀測站（Enriched Xenon Observatory），在那裡對一大罐液態氙的探測表明，無中微子雙β衰變就算存在，也極其罕見，也許概率小到根本無法探測（參見《物理評論通訊》，第109卷，032505頁）。不過儘管如此，極高的回報率仍吸引著多個研究項目在繼續尋找這種衰變。

有關中微子還有很多問題可問。美國哈佛大學的理論物理學家、諾貝爾獎得主謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）認為，目前需要的是更多更好的實驗。他認為，「現在沒什麼好研究的，除非我們有一些實驗作為嚮導。」

弗朗西斯·黑爾岑（Francis Halzen）也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文台的負責人，領導著這個在南極冰層下測量穿過地球的宇宙中微子的實驗項目。「我們追逐的是與中微子振蕩相關的新的物理，這就意味著我們也許會發現中微子具有標準模型之外的相互作用，也許會發現在3種標準中微子之外，還有惰性中微子也參與其中，」他說，「甚至發現完全在我們預料之外的什麼東西」。

他們也都指出，目前的問題在於中微子源。接下來的實驗計劃中有長基線中微子項目，由費米實驗室運行。它將發射一束密集中微子，穿過數百公里的地層，到達一個重達數千噸的大型探測器。另一個項目是英國至日本中微子工廠，計劃在英國產生密集中微子束轟擊在世界另一端位於日本的探測器。這兩個實驗項目都需要數十年的建造時間和數十億美元的投入。

不過魯比亞說，這些都物有所值。「這是一個有可能做出新發現的領域，但是我們不知道新的發現將來自何方，因此必須鼓足功敗垂成的勇氣，虛心以待。」

編譯自：《新科學家》，Neutrinos – the next big small thing

中微子家族中最大的反常之處，始於20年前的幾縷閃光。它們出現在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器（LSND）之中，每個閃光都代表一個中微子穿過了探測器裝得滿滿的巨大油罐。這些閃光揭示出，自30米外的粒子加速器飛奔到油罐的過程中，有超出預期數目的μ子反中微子轉變成了電子反中微子。

對此盈餘的主流解釋認為，在傳播過程中，這些反中微子會變身為無法探測的「惰性」中微子，這就給轉變提供了另一條通道。截至1998年LSND項目結束，這個盈餘一直存在，而且達到可觀的3.8個標準差，雖不足以直接證實存在惰性中微子，作為間接證據已綽綽有餘。「我們得到了一個令人吃驚的結果，」洛斯阿拉莫斯實驗室的比爾·路易斯（Bill Louis）回憶道，他就曾效力該實驗。

不過，如果不是後繼的一連串類似發現，LSND出現的反常也許早就被人拋諸腦後了。

費米實驗室的研究人員建造了MiniBooNE來檢驗LSND的結果。他們先用中微子來做實驗，觀察μ子中微子轉變成電子中微子，但是用了更高的能量和更長的傳播距離，接著又換成跟LSND一樣的反中微子。得到的結果非常複雜，但同樣給出了惰性中微子可能存在的線索。

還有一個實驗建議，用完全不同的方式來尋找惰性中微子。對來自太陽的中微子的早期實驗探測使用大量的鎵，因為太陽中微子能使其轉變成可探測的同位素鎵。研究人員用已知的輻射源來校準探測器。有兩個相互獨立的此類實驗，分別位於義大利和俄羅斯的地下，都發現來自太陽的中微子比理論模型的預測要少15%，被稱為GALLEX和SAGE反常。同樣，可能的原因是，某些中微子在到達地球之前，轉變成了無法探測的形態。

接下來就是最近在核反應堆中發現的反常。通過改進對原子核如何捕獲中微子以及核反應產生中微子數量的計算方法，研究人員發現過去30年間有數個實驗，其結果比預期探測到的中微子要多，平均多7%。「我們找到這些反常時，腦子裡根本沒想到惰性中微子，」法國原子能委員會的中微子物理學家蒂埃里·拉塞爾（Thierry Lasserre）說，「這絕對是個大大的驚喜」。

路易斯檢查了MiniBooNE、SAGE、GALLEX和反應堆實驗中的反常。「所有結果都與LSND一致，」他說，「這就為尋找惰性中微子模型注入了新的動力」。

美國麻省理工學院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）和同事最近剛剛發表了一個非常有說服力的模型，能產生與通常的3味中微子相平行的3種惰性中微子。這個新模型解釋了在中微子源附近發現的大部分反常現象。「你不能假設只有一種惰性中微子，」康拉德解釋說，「我們用3+3得到了非常好的結果，可以很好地解釋之前發現的那些中微子的短缺和盈餘。我們認為這個模型將一鳴驚人。」

拉塞爾提議用更多的實驗來平息爭論。他希望在現有的反應堆中再加入一個高密度輻射源。如果這個輻射源能產生質量在1 eV附近的較輕的惰性中微子，它們與可探測的中微子味之間的振蕩應當相對更快，「於是你就能看到美妙的振蕩圖案，」拉塞爾說，「如果這個實驗做出來了，要麼就有所發現，反之就能確定惰性中微子並不存在。」他希望能在5年之內看到這些振蕩，用他的話來說，就是「終結反常」。

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