中微子

李沃龍

僅有少數的物理學家能有幸為世界引入一種新的基本粒子。沃爾夫岡·泡利在1930年想到中微子這個概念時，內心的疑慮使他對此粒子有所保留。泡利稍后告訴同事：“我做了件可怕的事，我假設有一種無法被偵測到的粒子存在。”

中微子確實難以捉摸，它如鬼魅般的本質，使它幾乎不受阻礙地穿越物質，包括那些物理學家在粒子探測器中所使用的材料。事實上，大部分中微子可利落地穿透地球而不碰觸到其他粒子。不過，泡利的憂慮稍微夸張了些：中微子其實是可以被偵測到的，雖然需要花費極大的力氣并設計精巧的實驗才能成功。

中微子是最奇特的一種基本粒子：它們不能用來建構原子，也不會與其他物質作用；它們是唯一不帶電荷的物質粒子；它們非常輕，質量不到電子這種次輕物質質量的百萬分之一；此外，中微子還是所有粒子中最善變的，它們可在三種形態間變換身份。

80余年來，這些微小粒子一直令物理學家感到驚訝。直至今日，一些關于中微子的根本問題仍懸而未決：中微子的形態真的只有三種，抑或更多？為何所有的中微子都如此輕？中微子的反物質是否就是它自己？為什么中微子可以如此輕易地變換身份？

針對這些問題所設計的新實驗，正在世界各地的粒子對撞機、核反應器，甚至廢棄的礦坑里如火如茶地進行著。所獲得的答案，應該能對大自然的內在運作方式提供基本線索。

中微子的奇異特性可作為一盞明燈，指引物理學家邁向大統一理論（該理論除了重力之外，所有的粒子與作用力，都可用條理一貫的數學架構描述）。標準模型是目前關于粒子與作用力的最佳理論，但它無法包括中微子的所有復雜性質，因而亟須擴展論述。

在標準模型上擴充中微子的部分，最常用的方式是引入一種被稱為右旋中微子的新粒子。正如電荷規范粒子的電性多寡一樣，自旋決定了一個粒子能感受到弱核力，即造成放射性衰變的作用力；只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此，這些假設存在的右旋中微子，必然比那些已經被實驗證實的左旋中微子更難以捉摸。所有的中微子都被歸類為輕子，這代表它們并不會感受到強核力。由于不帶電荷，中微子也不會受電磁力的影響。如此一來，三種已知形態的中微子能感受到的只剩下重力與弱核力，但右旋中微子甚至不受弱核力的影響。

如果右旋中微子真的存在，它將合理解釋另一項中微子之謎：為何電子中微子、緲子中微子與T中微子這三種左旋中微子的質量如此微小？

大多數基本粒子通過與無所不在的希格斯場作用，來獲得它們的質量。2012年，在瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織LHC工作的物理學家宣布，他們已辨識出一種新粒子，其性質符合長期尋找的希格斯玻色子，希格斯便成了一個家喻戶曉的名字。此玻色子是希格斯場所對應的粒子，就像光子是電磁場所對應的粒子一樣。在此過程中，希格斯粒子會帶走與其作用粒子的弱核力版本的電荷。由于右旋中微子缺乏這種電荷，它們的質量并不取決于希格斯場。取而代之的是，這些質量或許源自一種發生于大統一時全然不同的極高能機制，造就右旋中微子成為超重粒子。

量子效應可聯結右旋中微子與其左旋兄弟，使得其中一方將其巨大的質量“傳染”（infect）給其他粒子。不過，這種傳染力非常微弱：例如右旋中微子若得了肺炎，左旋中微子只會有輕微的咳嗽，這意味左旋粒子的質量將極微小。這一關系被稱為“蹺蹺板機制”，就像是右旋中微子與左旋中微子在蹺蹺板的兩端，而質量較大的粒子會將質量較小的粒子抬起。

中微子質量的另一項解釋來自于超對稱，那是標準模型之外的新理論選項。在超對稱的假設下，每個標準模型里的粒子都擁有一個尚未被發現的伴子。這些被稱為超伴子的質量必定非常巨大，以至于到今天仍無法偵測到，而且它們至少會立即將基本粒子的數目加倍。假如超對稱粒子真的存在，LHC或許能產生它們，并測量它們的性質。

超對稱理論最吸引人的特色之一，是有一種稱為中性伴子的超對稱粒子，很適合用來解釋暗物質，這些物質構成星系與星系團的大部分質量，能夠施展重力但卻不發光，也不會以其他明顯的方式將自己顯露出來。不過，只有當中性伴子能長期穩定存在，而不是迅速衰變為其他粒子時，才能夠作為暗物質。

因此，短命的中性伴子將會把研究人員送回黑板前重新構思，但可能對物理學家不無益處。中性伴子的穩定性取決于一種被稱為R-宇稱的假設性質，它可防止超伴子衰變成任何普通的標準模型粒子。但是，如果R-宇稱不存在，中性伴子將變得不穩定，而其衰變有一部分取決于中性伴子的質量。