一箇中微子有多重？這個問題比看起來更復雜_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-08-18 09:30
撰文 | Kathryn Jepsen
翻譯 | 果醬
審校 | 曹俊（研究員）
編輯 | 蛋撻
六十年前，人類首次發現了一種基本粒子：中微子。多年來，科學家們已經瞭解了一些關於這類粒子令人驚訝的事情。但他們還沒有回答一個看似基本的問題：中微子有多重？而這個答案可能是我們理解奇怪粒子與宇宙本質的關鍵。想了解為什麼弄清楚中微子的質量如此困難，首先必須知道描述中微子的方法不止一種。
中微子有三種“味道”：電子型、繆子型和陶子型。當一箇中微子撞擊中微子探測器時，會產生一個電子，或者繆子，或者陶子。當你捕捉到一個伴隨着電子的中微子時，你就可以稱它為電子中微子，依此類推。知道了這一點，您可能會認為存在三種類型的中微子：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。但這並不完全正確。那是因為每種中微子實際上是這三種類型中微子量子態的疊加。取決於中微子的能量以及你在它飛行過程中的何處捕獲它，它有不同的可能性表現為電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。
有了這個更深入的理解後，你可能會認為，當一切都説完後，實際上只有一種類型的中微子。但這更不正確。畢竟，科學家們可以數出三種類型的中微子，每種都有不同的質量，是這三種中微子味道的不同混合物。這些中微子類型被稱為三種中微子質量態。
1 一個質量相關的問題
我們知道這三種中微子的質量都很小。第一種中微子質量態的味道混合物中以電子中微子為主。第二種更像是電子、繆子和陶子三種中微子的均勻混合。第三種主要是繆子和陶子中微子的混合。
我們知道前兩種類型中微子的質量很接近，而第三種不同。我們不能確定第三種中微子比另兩種更輕還是更重。第三種中微子是最重還是最輕問題被稱為中微子質量等級（或中微子質量順序）問題。
2 像 1,2,3 一樣簡單——還是 3,1,2？
有些統一粒子物理學標準模型中不同力的模型預測，中微子質量順序將遵循模式 1、2、3——他們稱之為正常等級。其他一些模型預測質量順序將遵循模式 3、1、2——一個倒置的等級結構。瞭解等級是正常的還是倒置的可以幫助理論家回答其他問題。例如，四種力——強、弱、電磁和萬有引力——支配着最小的物質組成部分的相互作用。一些理論家認為，在早期的宇宙中，這四種力統一為一種力。大多數關於力的統一理論都預測了正常的中微子質量等級。
目前，科學家們研究中微子質量等級的最佳工具是長基線中微子實驗，最著名的是一個稱為 NOvA 的實驗。
3 電子拖曳
NOvA 探測器位於加拿大邊境附近的明尼蘇達州，研究源自伊利諾伊州費米國家加速器實驗室的中微子束流。中微子很少與其他物質相互作用。這意味着它們可以在地下直接穿過500英里，從源頭到達探測器。事實上這很重要，因為當它們旅行時，它們會經過成萬億的電子。這會影響電子味中微子——而且僅僅影響電子味中微子——使它們看起來更重。由於第一種和第二種質量態比第三種含有更多的電子味道，因此當它們穿過地球時，這兩種質量狀態的中微子會經歷最強的電子相互作用。這種相互作用對中微子和反中微子有不同的影響——這種影響取決於質量等級。如果是正質量等級，繆子中微子將更有可能變成電子中微子，而繆子反中微子變成電子反中微子的可能性更小。如果是倒質量等級，則會發生相反的情況。
因此，如果 NOvA 的科學家發現，在穿越數百英里的岩石和泥土後，比預期更多的繆子中微子和更少的繆子反中微子改變了味道，就表明質量等級是正的。如果他們看到更少的繆子中微子和更多的繆子反中微子，就是質量等級倒置的跡象。
這種變化是微小的，需要數年的數據收集才能得到答案的首個線索。另一個較短的長基線中微子實驗 T2K也正在進行相關測量。中國正在建設的江門中微子實驗（JUNO）旨在以另一種方法測量中微子質量等級。也許要等到下一代長基線實驗，即美國的沙丘實驗（DUNE） 和日本的頂級神岡實驗（Hyper-Kamiokande），我們才能做出確定性的測量。
中微子是宇宙中數量最多的粒子之一。隨着我們慢慢揭開它們的秘密，它們將為我們提供更多有關宇宙如何運作的線索。
本文經授權轉載自微信公眾號“中科院高能所”。
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