中微子质量振荡原因_中微子振荡书籍_中微子质量宇宙学测量

希格斯粒子被发现之后,粒子物理进入了一个新的阶段。希格斯粒子是粒子物理标准模型的最后一个组成部分,它的发现意味着一个时代的结束,也预示着一个新时代的开启。中微子质量振荡原因标准模型是系统地描述整个粒子物理、经过大量实验检验的理论体系。建立标准模型的相关工作已获得了 18 次诺贝尔奖。找到希格斯粒子之后,标准模型趋近完善,具有优美的结构和惊人的预言能力;另一方面,却存在暗物质、暗能量、宇宙正反物质不对称性、中微子质量等一些标准模型无法容纳,或者难以解释的现象,说明必定存在着标准模型之外的新物理。

在标准模型中,中微子是没有质量的。中微子振荡的发现说明中微子有质量。这是目前发现的唯一有坚实实验证据超出标准模型的现象。

中微子中微子共有三种,分别是电子中微子、m 中微子、t 中微子。在标准模型中它们的质量为零。1956年李政道和杨振宁预言弱作用宇称不守恒,即空间的左右不对称,很快被吴健雄用实验证实。实验也发现在弱作用中宇称不仅不守恒,而且是最大破坏的。造成这一现象的原因实质是只存在左手螺旋度的中微子(即它的自旋总是与运动方向相反),不存在右手中微子。这只有中微子质量为零才能成立,因为质量不为零的话,那么中微子的速度必然小于光速,可以选择一个比它还快的参考系,让它的螺旋度发生翻转。根据这一现象,李政道和杨振宁提出了中微子的二分量理论,该理论又催生了弱作用的 V-A理论,被标准模型所继承,与各种实验数据符合得非常好。因此,在标准模型中,中微子是没有质量的。

然而,1998 年日本超级神冈实验(Super-K)发现大气中微子存在振荡现象,即中微子在飞行中可以变成其他种类的中微子。与更早的太阳中微子失踪之谜,稍晚的SNO(太阳中微子)、KamLAND(反应堆中微子)、K2K(中微子)等实验的结果一起,形成了中微子振荡的坚实证据。中微子振荡说明中微子有质量,只不过它非常非常小,以至于现有技术还不能直接测出来。

将中微子质量纳入标准模型中看上去不是大问题,像电子一样给它加一个质量项似乎就可以了。

不过马上就会碰到两个问题。一个问题是怎么加。中微子自旋为1/2,是费米子。其他的费米子都是带电荷的,而中微子不带电。这样,中微子可以像其他费米子一样,是狄拉克粒子,有一个狄拉克质量项,也可以是一种特殊的马约拉纳粒子,即它的反粒子就是它自身,只是螺旋度相反。另一个问题是中微子质量太小,如果简单加一个狄拉克质量项,那么它的质量与最重的顶夸克相差一万亿倍。同一个希格斯粒子,既要产生顶夸克那么大的质量,又要产生中微子那么小的质量,如此悬殊的差距让人很难相信。有一类很受物理学家喜欢的理论,叫“跷跷板机制”,它假定中微子是马约拉纳粒子,同时存在尚未被发现的、质量远大于电弱能标的重中微子,这样中微子的微小质量可以得到很自然的解释。不过重中微子是无法填进标准模型的三代结构中的。

我们把具有确定质量的中微子(即质量本征态)叫 m1、m2、m3,它们与味道本征态——电子中微子、m 中微子、t 中微子并不一一对应。例如,具有确定质量的m1可以看成是由三种味道的中微子按某种比例组合而成,而具有确定味道的电子中微子也是由三种不同质量的中微子组合而成。正是这种混合导致了中微子振荡。

三代中微子的振荡可由 6 个参数描述, 包括 2 个质量平方差,3 个混合角, 和 1 个 CP破坏相角。太阳中微子实验测得了 m22-m12=7.5×10-5eV2和 混 合角 sin22q12=0.86, 大气中微子实验测得了 |m32-m22|=2.4× 10-3eV2和 sin22q23≈ 1。大亚湾反应堆中微子实验测得了最后一个混合角sin22q13=0.09。未知的参数还剩下CP 破坏相角。此外,大气中微子实验不能确定 m2和 m3到底谁更重,称为质量顺序(或质量等级)问题;也没有确定 q23针对 p/4 的偏离取向,后者被称为q23的八分圆问题。

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