中微子和電子一樣都是費(fèi)米子（費(fèi)米子是自旋為半整數(shù)的粒子），是存在自然界最基本的粒子之一，但和電子不同的是中微子是電中性的（不帶電），而且中微子的質(zhì)量不到電子質(zhì)量的500萬(wàn)分之一。在地球上，時(shí)時(shí)刻刻都有無(wú)數(shù)個(gè)中微子穿透我們的身體，甚至大約每秒鐘就有10億個(gè)中微子穿過(guò)我們的眼睛，這些數(shù)量極大的中微子大部分來(lái)自于太陽(yáng)（其他部分來(lái)源：宇宙射線、核反應(yīng)堆等），是由太陽(yáng)內(nèi)部的聚變反應(yīng)產(chǎn)生的。那為什么這些中微子穿透人體之后不僅沒(méi)有造成任何傷害，而且被穿透的人也沒(méi)有任何感覺(jué)？這是因?yàn)橹形⒆邮请娭行缘?，不參與電磁作用，只參與非常弱的弱作用，所以會(huì)直接穿透人體而不發(fā)生任何反應(yīng)。不僅如此，來(lái)自太陽(yáng)的中微子到達(dá)地球后絕大部分也都會(huì)直接穿透地球繼續(xù)傳播（被地球擋住的概率只有100億分之一）。那么這樣一個(gè)“看不見(jiàn)摸不著”、質(zhì)量極小、穿透力極強(qiáng)又無(wú)法通過(guò)常規(guī)電磁手段觀測(cè)的粒子是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？

中微子的發(fā)現(xiàn)繞不開(kāi)一個(gè)非常重要的過(guò)程:衰變。在19世紀(jì)末，法國(guó)物理學(xué)家Henri Becquerel發(fā)現(xiàn)了鈾的衰變之后，科學(xué)家們就開(kāi)始關(guān)注原子核的衰變過(guò)程。

圖1：中子衰變成質(zhì)子、電子和反電子中微子的過(guò)程，即β衰變過(guò)程。

剛開(kāi)始，原子核的衰變過(guò)程被認(rèn)為是一個(gè)原子核衰變成另一個(gè)電荷+1的原子核并放出一個(gè)電子，即：。根據(jù)能動(dòng)量守恒，這個(gè)放出來(lái)的電子的能譜一定是不連續(xù)的。但令人驚訝的是，1914年的測(cè)量結(jié)果表明衰變所放出電子的能譜是連續(xù)的（原子核衰變是不同核能態(tài)之間的躍遷，如果末態(tài)只有子原子核和電子的話，那么電子能譜應(yīng)該是量子化的，即測(cè)量得到的電子能譜應(yīng)該是離散的，而不是連續(xù)的）！這個(gè)結(jié)果在1920年的測(cè)量中得到了進(jìn)一步的證實(shí)。當(dāng)時(shí)著名的丹麥物理學(xué)家Bohr認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能量不一定是守恒的，顯然這個(gè)觀點(diǎn)在后來(lái)被證實(shí)是錯(cuò)的（目前未觀測(cè)到任何表明能量不守恒的現(xiàn)象）。1930年奧地利理論學(xué)家Pauli提出了另外一個(gè)觀點(diǎn)，他假設(shè)存在一個(gè)非常輕、自旋為1/2的電中性粒子，在衰變過(guò)程中帶走了一部分能量，導(dǎo)致了電子能譜是連續(xù)的，即真正的衰變過(guò)程應(yīng)該是,這個(gè)就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的電子反中微子，即第一代中微子的反粒子。

Pauli提出的這個(gè)假設(shè)開(kāi)啟了中微子領(lǐng)域的研究。1936年德國(guó)物理學(xué)家Hans Bethe提出通過(guò)逆衰變過(guò)程

來(lái)證明電子反中微子的存在。1956年美國(guó)實(shí)驗(yàn)學(xué)家Frederick Reines和Clyde Cowan首次完成了反應(yīng)堆反中微子實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Pauli的假設(shè)，他們的發(fā)現(xiàn)獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1962年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)學(xué)家Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger通過(guò)新的加速器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了第二代中微子，并獲得了1988年的諾貝爾獎(jiǎng)。1967年美國(guó)理論學(xué)家Weinberg和Salam將Higgs機(jī)制引入了Glashow的弱電理論，建立了我們所熟知的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，預(yù)言了存在第三代中微子。在標(biāo)準(zhǔn)模型里面，中微子是無(wú)質(zhì)量的，且不同代的輕子之間沒(méi)有混合（所謂混合，就是指中微子在傳播的過(guò)程中會(huì)改變代數(shù)，例如在源處產(chǎn)生的第一代中微子在傳播過(guò)程中由于量子相干效應(yīng)可能會(huì)在探測(cè)器處變成第二代中微子，也可能會(huì)變成第三代中微子）。1968年對(duì)太陽(yáng)中微子的觀測(cè)表明，太陽(yáng)中微子的含量小于標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型的理論預(yù)言，這是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明中微子有很小的質(zhì)量，且不同代的中微子之間可以相互轉(zhuǎn)化。2000年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了第三代中微子，這是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的輕子。至此，我們所知道的三代中微子全部被發(fā)現(xiàn)。

在中微子被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中我們提到了1968年對(duì)太陽(yáng)中微子的測(cè)量，這是第一個(gè)表明中微子有質(zhì)量且會(huì)振蕩的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖2：中微子振蕩現(xiàn)象，即三代中微子之間可能會(huì)相互轉(zhuǎn)化。

后來(lái)又進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)量了中微子的振蕩現(xiàn)象，如我國(guó)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)（反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)）、日本的Kamlanzen、美國(guó)的MINOS等。現(xiàn)在中微子振蕩現(xiàn)象的測(cè)量取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)測(cè)得三代中微子之間的質(zhì)量平方差為

在上式中（normalhierachy）表示三代中微子的質(zhì)量是正常順序，即,（inverse hierachy）表示三代中微子質(zhì)量是反常順序，即,這表示現(xiàn)在已經(jīng)取得的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果還無(wú)法確定三代中微子的質(zhì)量順序（確定中微子的質(zhì)量順序也是未來(lái)中微子實(shí)驗(yàn)的重要目的之一）。三代中微子之間的混合角為

雖然我們已經(jīng)測(cè)到了三代中微子之間的混合角，但是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然無(wú)法給出中微子混合的CP相角。

從上面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果我們可以看出中微子不僅有非常小的質(zhì)量，而且三代中微子之間有混合（振蕩）的現(xiàn)象。但是前面提到了，在標(biāo)準(zhǔn)模型里中微子是沒(méi)有質(zhì)量的，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)模型里面中微子沒(méi)有右手分量，所以不能像其他的費(fèi)米子一樣通過(guò)Higgs機(jī)制獲得質(zhì)量，自然也就不會(huì)振蕩。那么中微子究竟是如何獲得質(zhì)量的呢？研究中微子的質(zhì)量起源以及中微子性質(zhì)是現(xiàn)在理論物理研究最重要的方向之一。我們現(xiàn)在仍然無(wú)法確定中微子的是Dirac粒子（正反粒子不同，標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的中微子是Dirac粒子）還是Majorana粒子（正反粒子都是自身）。從這兩種中微子的性質(zhì)出發(fā)，中微子在理論上有不同獲得質(zhì)量的方式：

一、Dirac粒子：

如果中微子是Dirac粒子，那么中微子獲得質(zhì)量最簡(jiǎn)單的方式是直接在標(biāo)準(zhǔn)模型中引入右手單態(tài)中微子，其中分別表示弱荷為、單態(tài)和單態(tài)。然后中微子就可以像其他的費(fèi)米子一樣通過(guò)Higgs機(jī)制獲得質(zhì)量：

其中是相應(yīng)的湯川耦合系數(shù)、是Higgs場(chǎng)的真空期望值。通過(guò)引入右手單態(tài)使中微子像標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他費(fèi)米子一樣獲得Dirac質(zhì)量，但是不一樣的是這樣引入的右手中微子單態(tài)弱荷為0，即除了湯川相互作用，右手中微子不參與任何弱相互作用。除此之外，通過(guò)這種方式得到的中微子質(zhì)量，必須滿足中微子振蕩實(shí)驗(yàn)和PLANK對(duì)中微子質(zhì)量的約束，這就要求，如此小的耦合常數(shù)在理論物理學(xué)家們看來(lái)是不自然的。

二、Majorana粒子

另外一種使中微子獲得質(zhì)量的方式是引入Majorana質(zhì)量項(xiàng)，通過(guò)see-saw機(jī)制（“蹺蹺板機(jī)制”）使中微子獲得輕Majorana質(zhì)量。

圖3:“蹺蹺板”機(jī)制

這個(gè)方式最開(kāi)始是由著名的理論物理學(xué)家Weinberg提出，也是目前中微子在大部分新物理模型中獲得質(zhì)量的主要方式。典型的Type-I seesaw就是通過(guò)引入右手的中微子單態(tài)和新的標(biāo)量場(chǎng)，新的標(biāo)量場(chǎng)破缺之后使新引入的中微子右手單態(tài)獲得大Majorana質(zhì)量項(xiàng)。結(jié)合Dirac質(zhì)量項(xiàng)，相互作用本征態(tài)下中微子的質(zhì)量矩陣形式為

在上式中表示新引入的中微子右手單態(tài)數(shù)量。近似對(duì)角化之后可以得到三代輕中微子的質(zhì)量矩陣約為

從上面的表達(dá)式可以看出，之所以這種機(jī)制被稱為蹺蹺板機(jī)制，就是因?yàn)橥ㄟ^(guò)大的在分母上，將Dirac質(zhì)量項(xiàng)“蹺”起來(lái)自然的得到很輕的中微子質(zhì)量。

雖然現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)還不能確定中微子的性質(zhì)和質(zhì)量起源，但是理論物理學(xué)家們關(guān)于中微子的研究一直在推進(jìn)，提出了更多的中微子質(zhì)量起源方式（如Type II see-saw、Type III see-saw、inverse see-saw等），也廣泛地研究了中微子獲得質(zhì)量后所引起的可觀測(cè)效應(yīng)（如原子核的無(wú)中微子雙貝塔衰變、介子輕子味改變衰變、重子輕子味改變衰變、同號(hào)輕子對(duì)撞機(jī)上的輕子味改變過(guò)程和輕子數(shù)改變過(guò)程等），實(shí)驗(yàn)觀測(cè)也在如火如荼地進(jìn)行。期待不久的將來(lái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果能告訴我們更多關(guān)于中微子的秘密！

審核編輯 ：李倩