中微子有質量嗎？看中微子和它最後的「倔強」

最新 08-02

我曾收到過一個問題，問題本身很簡短：中微子有質量嗎？

答案也並不長：本來不該有，但是實際上有。

這個題目和答案本身都很簡短的問題，實際上是一個需要解決的重大問題，重大到解決它肯定會獲得諾獎。

都是標準模型「惹的禍」

先說說為什麼「不該有」。

之前我參加一個會議，會上一位青年學者講了有質量的中微子對於宇宙演化的影響。報告非常精彩，有圖有真相有故事。但是我注意到了她在報告的背景部分說，粒子物理標準模型裡面中微子不應該有質量，但是後來發現中微子有質量，而且中微子的質量對於宇宙演化可能有重要的影響。

我於是就半開玩笑地問，為什麼粒子物理標準模型裡面中微子不應該有質量？

不知道，她回答說。我提醒道，你肯定知道粒子物理標準模型裡面其它粒子的質量是怎麼產生的吧？她沒有任何猶豫，當場就回答：是通過希格斯機制獲得的質量。我又接著問，那為什麼中微子就不能這樣獲得質量呢？她就直接回答「不知道」了。

其它粒子如何通過希格斯機制獲得質量，正是2013年諾貝爾物理學獎的獲獎研究。

弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）和彼得·W·希格斯（Peter W. Higgs）因為解釋粒子如何獲得質量的理論而共同獲得2013年諾貝爾物理學獎。頒獎詞為「在理論上發現了有助於我們理解亞原子粒子質量起源的機制，而且經由它所預言的、最近已經被CERN大型強子對撞機的ATLAS和CMS發現的基本粒子而得到了證實。」圖片來源：nobelprize.org

左手，右手，我一個慢動作

中微子質量和希格斯機制的關係和楊振寧和李政道所獲得的諾貝爾物理學獎有密切的關係。

長話短說，楊振寧和李政道的這個諾獎工作說的是，儘管「宇稱」守恆看起來是很自然的，也就是在基本物理規律的層面上，左右應該是對稱的，鏡子裡面的我們看起來和我們應該是一模一樣的，但是，對於中微子參與的弱相互作用，宇稱並不守恆。

楊振寧和李政道提出了這個理論，著名的華人女物理學家吳健雄做實驗證實了他們的理論是正確的。

實驗表明，作為費米子（自旋為半整數）的中微子（自旋為1/2）都是左撇子（只能左旋），但是其他的費米子基本粒子都是既能左旋也能右旋。

這樣楊振寧和李政道就獲得了諾獎。但是很遺憾，吳健雄沒有獲得諾獎，這是諾獎歷史上的著名遺憾之一。

李政道（左）和楊振寧（右）合影。兩人於1956年共同提出宇稱不守恆理論，並因此共同獲得1957年諾貝爾物理學獎。圖片來源：美國物理學會贈與果殼的照片

那為何「不對稱」的中微子不能通過希格斯機制獲取質量呢？

在粒子物理標準模型裡面通過希格斯機制獲得質量的辦法，就是把某個粒子的左旋和右旋的波函數通過「湯川耦合」從希格斯場獲得質量。但是中微子只能是左撇子，也就是沒有右旋的中微子，這個耦合沒法進行，所以可憐的中微子就沒有辦法通過希格斯機制獲得質量了。而希格斯機制是粒子物理標準模型裡面基本粒子獲得質量的唯一辦法，所以中微子的質量在粒子物理標準模型裡面就只能是零了！

這麼看來，在基本粒子的層面上，「左右開弓」就顯得非常重要了，否則連獲得質量的機會都沒有！

中微子和它最後的「倔強」

但是，中微子表示不服！

上帝是公平的，左撇子並不是俺的錯兒，憑啥俺就不能獲得質量？儘管希格斯機制不理會中微子，中微子還真的通過別的方式獲得了質量，而且還讓好幾個科學家獲得了大獎！

梶田隆章和阿瑟·麥克唐納因發現中微子振蕩獲得了2015年諾貝爾物理學獎。圖片來源：nobelprize.org

比如，2015年的諾貝爾物理學獎授予了物理學家梶田隆章(Takaaki Kajita)和阿瑟·麥克唐納(Arthur B. McDonald)，獎勵他們發現了中微子振蕩，而中微子振蕩就是中微子有質量的直接表現！

中微子有三種「風味」：電中微子（νe）、μ中微子（νμ）以及τ中微子（ντ），在其傳播過程中，可能會發生味間的振蕩，即在某個地方產生的電中微子在另一個地方被探測到時就可能會變為μ中微子或τ中微子，這種現象被稱為「中微子振蕩」。梶田隆章團隊的實驗和阿瑟·麥克唐納所帶領的研究小組的實驗一同發現了「中微子振蕩」的新現象，證明長期被認為沒有質量的中微子，其實必須是有質量的。圖片來源：Nobelprize.org

著名的中國物理學家王貽芳院士領導的大亞灣中微子實驗國際合作團隊，於2012年3月對外宣布發現了一種新的中微子振蕩，這表明所有已知的中微子都有質量。

於是，王貽芳獲得了2015年基礎物理學突破獎（這是中國科學家首次獲得該獎項，該「科學突破獎」單項獎金高達300萬美元，遠超諾貝爾獎，堪稱科學界「第一巨獎」）；2017年1月10日王貽芳擔任主要完成人榮獲了國家自然獎一等獎。

既然粒子物理標準模型不允許左撇子的中微子（和右撇子的反中微子）獲得質量，那麼中微子獲得質量的機制就一定是粒子物理標準模型以外的某種未知的神秘機制，破解這個秘密一定會給物理學帶來重大的進步，和發現暗物質粒子以及理解暗能量的機制是一個量級的成果（因為粒子物理標準模型裡面也沒有暗物質和暗能量什麼事），獲得諾獎是肯定的，只是這些研究會獲得多少諾獎是不確定的而已！

目前王貽芳院士所領導的更加大型的中微子實驗JUNO（江門地下中微子觀測站）正在往這個方向奔！