有质量的中微子怎样打破了标准模型

资深撰稿人Ethan Siegel
资深撰稿人Starts With A Bang撰稿人小组
Jul 14, 2020,02:00am EDT

Science

从一声爆炸开始

        宇宙就在那里等待你来发现它。

按照标准模型，轻子和反轻子都应该是彼此分开的独立的粒子。但这三种类型的中微子都混合在一起，表明它们一定是大质量的，此外，中微子和反中微子可能实际上是彼此同一的粒子：马焦拉纳费米子。 E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

    不是被假定这个样子的。中微子这些微小的、幽灵般的、难以捉摸的但基本的粒子没有被假定来有质量。按照基本粒子的标准模型，我们应该有三种类型的中微子（电子、μ介子和τ介子）和三种类型的反中微子，它们一旦被创造出来它们的属性应该是稳定且不变的。

    不幸的是，宇宙为我们藏有其他的想法。自20世纪60年代起，当对来自太阳产生的中微子第一次计算和测量时我们意识到了有一个问题：因为太阳照耀我们知道了在它的核被产生了多少（电子）中微子。但当我们测量了有多少（电子）中微子正在到达时，我们只看到了被预测数字的三分之一。解开这个谜团的故事仍然是粒子物理学超越标准模型的唯一有力的方式，并且可能还掌握着进一步理解宇宙的关键。这里是怎样的。

一个电子、最轻的正常标准模型粒子和最重的可能的中微子之间的质量差是大于4000000的一个因素，一个甚至大于电子和顶夸克之间差值的差距。中微子最初被提出来解决β衰变的问题，但已经自此被发现有质量。为什么质量如此小仍然未知的。 HITOSHI MURAYAMA

    中微子大约在90年前有了它的开始，当时物理学家们正困惑于更令人沮丧的物理学的一个观察结果：β衰变问题。有许多原子核，例如氚对放射性衰变是不稳定的。对一个原子核最常见的来衰变的方式之一，特别是如果在原子核中有一个异常大量的中子是通过β衰变：其中一个原子核中的中子通过发射一个电子衰变成一个质子。

    多年来，我们探测到了留下来的质子和被发射的电子，但某些东西正在缺失。在粒子物理学中有两个量始终被守恒：

1.     能量，作为反应物总是等于产物的总能量的总能量

2.   动量，作为所有初始粒子总是等于最终粒子的总动量的总动量。

但不知怎的，对这些β衰变，某些东西总是正在缺失：能量和动量都不被守恒。

在一个大质量的原子核中核β衰变的示意图。只有如果（缺失的）中微子能量和动量被包括这些量才能被守恒。从一个中子过渡到一个质子（一个电子过渡到一个反电子中微子）是能量上有利的，有一个额外的质量被转换成衰变产物的动能。. WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD

    有些人如尼尔斯·波尔有过激进的建议也许能量和动量真的不被守恒的，也许它们可能不知怎的被失去。但沃尔夫冈·保利有过一个不同的思想------有争议的甚至更激进：也许在这些衰变中一种新颖类型的粒子被发射，一种我们只是还没有能力来看的。他命名它"中微子"，这在意大利语中是"小的中性的"，在假设它时说了他犯过的异说：

    我已经做了一件可怕的事情，我已经假设了一个不能被探测到的粒子。

    按照保利的理论，在某些核反应中有一类新的粒子被发射。当一个中子衰变成一个质子和一个电子时，它也一定创造一个反电子中微子，守恒轻子数（轻子减去总反轻子数的总数）和轻子家族数（轻子减去在每个电子、μ介子和τ介子家族中反轻子的同一数字）。当一个μ介子衰变成一个电子时，它一定产生一个μ介子中微子和一个反电子中微子来守恒所需的一切。