中微子如何获得质量？

1998年，研究人员做出了一项发现，挑战了他们对粒子物理学的理解，并在未来几十年内将一个毫不夸张的粒子推向了人们的视线。

标准模型是解释普通物质及其相互作用的理论框架，它预测被称为中微子的粒子没有质量。在实验中，中微子似乎以光速运动，这只有无质量的粒子才能完成。

但是随后，日本超级神冈天文台的物理学家收集了第一个证据，证明中微子的质量很小但不为零。

“这是我们不知道如何解释的第一个观察到的现象，”西北大学理论物理学家兼教授安德烈·德古维阿（AndrédeGouvêa）说。“我们的模型失败了。这意味着缺少一些成分。”

现在我们知道了：中微子不是无质量的，它们只是令人难以置信的轻-比下一个最轻的粒子电子轻一百万倍。数以千计的中微子每秒无害地通过您的身体，实际上，很少与任何物质发生相互作用。

“由于它们之间的相互作用太弱，我们对中微子的了解不如其他标准模型粒子那么多，”美国能源部费米国家加速器实验室研究中微子现象学的博士后杰西卡·特纳说。“我们知道他们在那里。我们已经进行了很多实验来检测它们之间的相互作用，但是对它们的了解相对较少。”

我们确实知道一些事情。我们知道中微子有三种口味。而且它们不仅仅遵循其中一种口味。当它们在空间中移动时，它们会随着风味的变化而振荡。仅因为它们的质量为非零，才有可能实现这一壮举。

但是那个质量从哪里来？

中微子是一种称为费米子的基本粒子。所有其他费米子，例如轻子和夸克，都通过与希格斯玻色子的相互作用而增加了质量。但是中微子似乎并没有遵循这一趋势。

物理学家针对中微子如何获得质量提出了数百种理论，每个人都有自己的最爱。也许还有另一个我们不知道的质量来源。也许中微子质量是希格斯玻色子与这种新质量源的相互作用。对于许多人来说，兴奋来自于试图缩小范围。

“如果幸运的话，问题就变成：哪个是正确的答案？” 德古瓦说。“自然选择赋予中微子质量的方式是什么？我们仍然不知道答案。”

隐藏的中微子

正如我们现在通过实验观察到的那样，中微子无法与希格斯场相互作用，因为它们缺少重要的东西：它们不是惯用右手的。

粒子可以是左撇子或右撇子。这些名称表示粒子自旋相对于其动量方向的方向。

您可能将大多数粒子称为灵巧的。他们有左撇子和右撇子。当粒子与希格斯场相互作用时，它将从左到右或从右到左切换其手性。该切换需要发生以使场产生粒子质量。

“左手粒子的行为与右手粒子的行为非常不同，”费米实验室的物理学家佩德罗·马查多（Pedro Machado）说。“因此，您需要将它们粘合在一起的东西，这就是希格斯玻色子。”

但是在中微子的情况下，这更为复杂。令人困惑的是，这是因为所有中微子似乎都是左撇子。

右手中微子的明显缺乏构成了中微子质量的主要奥秘。“我们不知道这个粒子是否真的存在，”马查多说。如果它们确实存在，则可能是右旋中微子是如此惰性，以至于它仅与希格斯玻色子相互作用，因此特别难以检测。

中微子是它自己的反面

尽管科学家尚未发现右旋中微子，但他们已经知道中微子生态系统中的另一类右旋粒子：反中微子。这将我们带入下一个理论：中微子实际上可能是其自身的反粒子。

每个基本粒子都有一个具有某些镜像属性的反粒子对应物，例如相反的电荷（例如，带负电的电子与带正电的正电子配对）。反粒子以与关联粒子相同的方式获得质量。

中微子及其相反的反中微子都是带中性电荷的粒子。所以这是一个谜：如果它看起来像一个中微子并且表现得像一个中微子，那么难道不是反中微子可能与中微子是同一粒子吗？

如果反中微子和中微子只是同一粒子的右手和左手版本，那么它们应该能够结婚以获得质量。这意味着中微子是一种叫做马约拉纳费米子的东西，仅当粒子和反粒子相同时才会发生。

在这种情况下，中微子将通过与其反中微子的相互作用而获得质量。为了使这项工作可行，理论家需要发明其他东西，例如希格斯玻色子的独特形式，尤其是与中微子相互作用的东西。

希格斯的替代品

最流行的理论提出了一种全新的质量机制，该机制不在标准模型之内，而是引入了一种全新的粒子。

根据德古瓦（DeGouvêa）的说法，这个新实体可能是一个超重粒子，看起来像右旋中微子，但有其自身的质量。它可能看起来像希格斯玻色子或某种类似电子的粒子。甚至可能是多个粒子，这些粒子的聚集效应使中微子的质量得以提高。

该理论最流行的形式之一是跷跷板机制，它解释了中微子的微小尺寸。

如果产生中微子质量的机制中涉及重粒子，那么它的沉重可能就是导致左手中微子如此轻的原因。

实验权衡

物理学家正在实验中测试这些理论，试图排除那些无效的理论。

要回答的第一个也是最重要的问题是：马约拉纳中微子是费米子吗？诸如意大利Gran Sasso地下实验室的GERDA（用于锗探测器阵列）之类的实验正试图通过寻找一种称为中微子双β衰变的现象来确定中微子是否是其自身的反粒子。

在此过程中，同位素内部的中子（在这种情况下为锗同位素）会衰变并喷出电子和中微子。如果同一同位素中的两个中子同时衰变，则称为双β衰变。科学家正在寻找无中微子的双β衰变，其中中子似乎只发射两个电子而没有中微子，因为中微子已经成对出现（马约拉纳样式）并被消灭了。

观察到双β衰减非常罕见。无中微子双β衰变（如果发生的话）将更加罕见。

deGouvêa说：“我们还没有看到它，但是我们不担心。”

他预测，物理学家将在大约10年内以一种或另一种方式得到答案（尽管他承认，由于很难证明是否定的，因此中微子双β衰变似乎总是遥不可及）。

特纳说，这项研究的成果不会以中微子而告终。她说：“如果我们更好地理解它们，我们可以与粒子物理学中的这些其他开放性问题联系起来。”

像这样的问题：为什么宇宙中的物质比反物质更多？为什么宇宙膨胀在加速？暗物质来自哪里？

deGouvêa说：“我们正在尽可能多地获取有关中微子质量的信息，因为这将以与现在不同的质性方式帮助塑造我们对粒子物理学的理解。那是希望。”