布瑞恩·科伯萊恩
中微子有可能是宇宙中最神秘的粒子,人們首次發(fā)現(xiàn)它是在2 0世紀(jì)5 0年代。它是作為放射性衰變的產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)的,其實,核聚變反應(yīng)也能產(chǎn)生中微子。太陽通過質(zhì)子—質(zhì)子鏈反應(yīng)與太陽核心的聚變反應(yīng)產(chǎn)生大量中微子,這使得太陽成為中微子天文學(xué)研究的完美對象。但是,2 0世紀(jì)6 0年代,當(dāng)人們第一次開始觀測太陽中微子時,卻發(fā)現(xiàn)了一個被稱為“太陽中微子之謎” 的神秘現(xiàn)象。這個問題直到2 0世紀(jì)9 0年代才得以解決,證明了中微子比我們想象的還要神秘。
在地球上測量到的太陽中微子數(shù)量只有期望數(shù)值的1/3,由此產(chǎn)生了太陽中微子問題。這說明,要么是我們對太陽核聚變的理解錯了,要么是中微子發(fā)生了某些奇怪的變化。在問題產(chǎn)生的同時,人們開始對太陽中微子進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)電子有兩個姐妹粒子,即τ 介子和μ 介子,且這兩個粒子都分別有一個對應(yīng)的中微子。這就意味著,中微子的種類有三種,比預(yù)想中多了兩種。而觀測到的太陽中微子的數(shù)量只有期望值的1/3,似乎這兩者之間存在某種關(guān)系。
人們立刻發(fā)現(xiàn)了一個問題。早期的太陽中微子探測器只能檢測到電子中微子,因此,如果太陽產(chǎn)生的中微子數(shù)量與期望值一致,且三種中微子的數(shù)量勢均力敵,就能解決這個問題(τ 中微子和μ 中微子無法被檢測到。因此,如果三種中微子的數(shù)量平均的話,人們能探測到的中微子的數(shù)量應(yīng)該只有理論值的1/3——譯者注)。但問題是,太陽產(chǎn)生的中微子中,不可能三種中微子樣樣俱全,太陽核聚變只能產(chǎn)生電子中微子。顯然,問題的解決方案應(yīng)該是弄清楚某些中微子是如何由電子中微子轉(zhuǎn)變成另外兩種中微子的。但是,根據(jù)當(dāng)時的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型,中微子是不帶電的。正因為中微子不帶電,所以能以光速穿行,而且也不改變它們的味道(粒子物理學(xué)概念,是基本粒子的一種量子數(shù)——譯者注)。
當(dāng)然,如果中微子有質(zhì)量,它們就可以改變味道了。但問太陽中微子題是,中微子的質(zhì)量稍有特殊,跟我們平時理解的質(zhì)量有出入。在標(biāo)準(zhǔn)模型中,中微子受控于弱電力(弱電力是一種電磁力,左右著放射性衰變)。弱電模型是一種量子理論模型,從這里開始,不確定性原理開始發(fā)揮作用。因此,我們可以測量中微子的質(zhì)量,也可以測量中
微子的味道,但我們不能同時測量二者。也就是說,我們可以說中微子具有質(zhì)量,但我們絕不可以說電子的味道具有特殊質(zhì)量。
由于質(zhì)量和味道之間的量子模糊性,我們的研究就受到很大限制,只能知其一,不可能二者俱知。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型,中微子有三種質(zhì)量(即質(zhì)量本征態(tài))和三種味道(味道本征態(tài))。如果我們知道一個中微子(電中微子、τ 介子中微子和μ 介子中微子)的味道,那么這個味道就是三種質(zhì)量本征態(tài)的疊加(即量子混合態(tài))。如果我們知道一個中微子的質(zhì)量,那么這個質(zhì)量就是三種味道本征態(tài)的疊加。一個電子中微子與μ 介子中微子的不同之處就在于三種質(zhì)量本征態(tài)混合的不同,中微子的每種味道都由不同質(zhì)量
本征態(tài)的獨特疊加而成。
那么,具有質(zhì)量模糊性的中微子如何解決太陽中微子之謎?因為每個質(zhì)量本征態(tài)的速度略有不同,因此,在核反應(yīng)過程中釋放出的電子中微子,其質(zhì)量疊加狀態(tài)會逐漸發(fā)生變化。依據(jù)量子理論,每個質(zhì)量本征態(tài)都有其獨特的波長,因此質(zhì)量本征態(tài)的變化受波長干擾。這就是神奇的中微子振蕩。一種中微子在宇宙中穿行時,因為振蕩現(xiàn)象的存在會變成其他味道的中微子,因此,我們觀測到的處于某種味道的中微子的量會時高時低。
跟廣袤的宇宙空間比起來,太陽與地球的距離其實是相當(dāng)小的,因此,對電子中微子來說,與其他類型的中微子混合的概率有限。但是,當(dāng)中微子穿過物質(zhì)時,就會產(chǎn)生另外一種振蕩現(xiàn)象,即MSW 效應(yīng)。當(dāng)中微子在物質(zhì)中穿行時,其速度會發(fā)生變化,就像光線穿過玻璃時其速度會因玻璃的折射率發(fā)生改變一樣。在這個過程中,不同味道的中微子變化不同,而且會增強(qiáng)中微子之間的混合效應(yīng)。當(dāng)中微子到達(dá)太陽表面時,三種味道的中微子混合比例相當(dāng),因此,到達(dá)地球的電子中微子只占全部中微子的1/3。這就解釋了為什么中微子探測器只能探測到中微子理論值的1/3了。
因此,太陽中微子之謎也得到了很好的解決。
當(dāng)然,有人可能會說,這只是為了解決太陽中微子之謎而設(shè)計的一個錯綜復(fù)雜的模型。但是,藝高才能膽大,我們對具有模糊質(zhì)量的中微子味道的改變能解決太陽中微子之謎這一點有著充足的自信。
延伸閱讀
中微子的味道是以它參與帶電流相互作用時對應(yīng)的帶電輕子來區(qū)分的,“味道本征態(tài)”是一個很方便的工具。但嚴(yán)格說來,三種質(zhì)量本征態(tài)的中微子才是最基本的東西,味道本征態(tài)是一個不太嚴(yán)格的概念。
考慮一個極端情況:產(chǎn)生中微子反應(yīng)的其他初末態(tài)粒子的能動量被精確測出來了。這種情況下,能動量守恒定律限定了產(chǎn)生的中微子只能是質(zhì)量本征態(tài),于是在這種情況下就不存在中微子振蕩。
事實上,中微子振蕩之所以能發(fā)生,是因為產(chǎn)生中微子時中微子的波包有一定寬度,三種質(zhì)量本征態(tài)的中微子的波包可以在較長的距離上重疊。而當(dāng)中微子傳播距離過長時,三種中微子質(zhì)量本征態(tài)的波包“退相干”,振蕩現(xiàn)象也會消失。