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(shí)，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(duì)象。但是，2 0世紀(jì)6 0年代，當(dāng)人們第一次開始觀測(cè)太陽中微子時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被稱為“太陽中微子之謎” 的神秘現(xiàn)象。這個(gè)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(cè)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(duì)太陽核聚變的理解錯(cuò)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(shí)，人們開始對(duì)太陽中微子進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電子有兩個(gè)姐妹粒子，即τ 介子和μ 介子，且這兩個(gè)粒子都分別有一個(gè)對(duì)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(cè)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(gè)問題。早期的太陽中微子探測(cè)器只能檢測(cè)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(shì)均力敵，就能解決這個(gè)問題（τ 中微子和μ 中微子無法被檢測(cè)到。因此，如果三種中微子的數(shù)量平均的話，人們能探測(cè)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(shí)的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子是不帶電的。正因?yàn)橹形⒆硬粠щ?，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(shí)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(cè)量中微子的質(zhì)量，也可以測(cè)量中

微子的味道，但我們不能同時(shí)測(cè)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(gè)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(gè)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(gè)中微子的質(zhì)量，那么這個(gè)質(zhì)量就是三種味道本征態(tài)的疊加。一個(gè)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(dú)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?yàn)槊總€(gè)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(huì)逐漸發(fā)生變化。依據(jù)量子理論，每個(gè)質(zhì)量本征態(tài)都有其獨(dú)特的波長(zhǎng)，因此質(zhì)量本征態(tài)的變化受波長(zhǎng)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(shí)，因?yàn)檎袷幀F(xiàn)象的存在會(huì)變成其他味道的中微子，因此，我們觀測(cè)到的處于某種味道的中微子的量會(huì)時(shí)高時(shí)低。

跟廣袤的宇宙空間比起來，太陽與地球的距離其實(shí)是相當(dāng)小的，因此，對(duì)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(shí)，就會(huì)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(shí)，其速度會(huì)發(fā)生變化，就像光線穿過玻璃時(shí)其速度會(huì)因玻璃的折射率發(fā)生改變一樣。在這個(gè)過程中，不同味道的中微子變化不同，而且會(huì)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(shí)，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(cè)器只能探測(cè)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(huì)說，這只是為了解決太陽中微子之謎而設(shè)計(jì)的一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的模型。但是，藝高才能膽大，我們對(duì)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(diǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)的帶電輕子來區(qū)分的，“味道本征態(tài)”是一個(gè)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(gè)不太嚴(yán)格的概念。

考慮一個(gè)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(dòng)量被精確測(cè)出來了。這種情況下，能動(dòng)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(shí)上，中微子振蕩之所以能發(fā)生，是因?yàn)楫a(chǎn)生中微子時(shí)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(zhǎng)的距離上重疊。而當(dāng)中微子傳播距離過長(zhǎng)時(shí)，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(huì)消失。