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一个中微子有多重? 这个问题比看起来更复杂

撰文 | Kathryn Jepsen
 
翻译 | 果酱
 
审校 | 曹俊(研究员)
 
编辑 | 蛋挞
 
六十年前,人类首次发现了一种基本粒子:中微子。多年来,科学家们已经了解了一些关于这类粒子令人惊讶的事情。但他们还没有回答一个看似基本的问题:中微子有多重?而这个答案可能是我们理解奇怪粒子与宇宙本质的关键。想了解为什么弄清楚中微子的质量如此困难,首先必须知道描述中微子的方法不止一种。
 
中微子有三种“味道”:电子型、缪子型和陶子型。当一个中微子撞击中微子探测器时,会产生一个电子,或者缪子,或者陶子。当你捕捉到一个伴随着电子的中微子时,你就可以称它为电子中微子,依此类推。知道了这一点,您可能会认为存在三种类型的中微子:电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。但这并不完全正确。那是因为每种中微子实际上是这三种类型中微子量子态的叠加。取决于中微子的能量以及你在它飞行过程中的何处捕获它,它有不同的可能性表现为电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。
 
有了这个更深入的理解后,你可能会认为,当一切都说完后,实际上只有一种类型的中微子。但这更不正确。毕竟,科学家们可以数出三种类型的中微子,每种都有不同的质量,是这三种中微子味道的不同混合物。这些中微子类型被称为三种中微子质量态。
Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品
 
1 一个质量相关的问题
 
我们知道这三种中微子的质量都很小。第一种中微子质量态的味道混合物中以电子中微子为主。第二种更像是电子、缪子和陶子三种中微子的均匀混合。第三种主要是缪子和陶子中微子的混合。
 
我们知道前两种类型中微子的质量很接近,而第三种不同。我们不能确定第三种中微子比另两种更轻还是更重。第三种中微子是最重还是最轻问题被称为中微子质量等级(或中微子质量顺序)问题。
Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品
 
2 像 1,2,3 一样简单——还是 3,1,2?
 
有些统一粒子物理学标准模型中不同力的模型预测,中微子质量顺序将遵循模式 1、2、3——他们称之为正常等级。其他一些模型预测质量顺序将遵循模式 3、1、2——一个倒置的等级结构。了解等级是正常的还是倒置的可以帮助理论家回答其他问题。例如,四种力——强、弱、电磁和万有引力——支配着最小的物质组成部分的相互作用。一些理论家认为,在早期的宇宙中,这四种力统一为一种力。大多数关于力的统一理论都预测了正常的中微子质量等级。
 
目前,科学家们研究中微子质量等级的最佳工具是长基线中微子实验,最著名的是一个称为 NOvA 的实验。
Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品
 
3 电子拖曳
 
NOvA 探测器位于加拿大边境附近的明尼苏达州,研究源自伊利诺伊州费米国家加速器实验室的中微子束流。中微子很少与其他物质相互作用。这意味着它们可以在地下直接穿过500英里,从源头到达探测器。事实上这很重要,因为当它们旅行时,它们会经过成万亿的电子。这会影响电子味中微子——而且仅仅影响电子味中微子——使它们看起来更重。由于第一种和第二种质量态比第三种含有更多的电子味道,因此当它们穿过地球时,这两种质量状态的中微子会经历最强的电子相互作用。这种相互作用对中微子和反中微子有不同的影响——这种影响取决于质量等级。如果是正质量等级,缪子中微子将更有可能变成电子中微子,而缪子反中微子变成电子反中微子的可能性更小。如果是倒质量等级,则会发生相反的情况。
 
因此,如果 NOvA 的科学家发现,在穿越数百英里的岩石和泥土后,比预期更多的缪子中微子和更少的缪子反中微子改变了味道,就表明质量等级是正的。如果他们看到更少的缪子中微子和更多的缪子反中微子,就是质量等级倒置的迹象。
 
这种变化是微小的,需要数年的数据收集才能得到答案的首个线索。另一个较短的长基线中微子实验 T2K也正在进行相关测量。中国正在建设的江门中微子实验(JUNO)旨在以另一种方法测量中微子质量等级。也许要等到下一代长基线实验,即美国的沙丘实验(DUNE) 和日本的顶级神冈实验(Hyper-Kamiokande),我们才能做出确定性的测量。
Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品
 
中微子是宇宙中数量最多的粒子之一。随着我们慢慢揭开它们的秘密,它们将为我们提供更多有关宇宙如何运作的线索。
 
本文经授权转载自微信公众号“中科院高能所”。
 
网址:
 
https://www.symmetrymagazine.org/article/how-heavy-is-a-neutrino



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