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”。

 

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https://www.symmetrymagazine.org/article/how-heavy-is-a-neutrino