质量问题（The mass question）

作者：爱德华*威滕（Edward Witten, 1997）

译者：郑  中（Geongs Zhern, 2011.1.30）

来源：NATURE| VOL 415 | 28 FEBRUARY 2002 | www.nature.com

著名的基本粒子中微子具有质量吗？是的，根据近期实验。但其质量多少呢？令人惊讶---而且令人争议---结果显示答案不是我们认为的那样。

中微子长期被认为是以光速传播的无质量粒子，如光子一样。在过去几年内，通过研究太阳发出或地球大气圈内宇宙射线产生的中微子，物理学家已认为中微子实际上具有微小而非零的质量，大致比电子质量小一亿倍。这些质量被认为产生于能量完全超出已知粒子相互作用时发生的物理过程。在现代物理通信期刊中，Klapdor-Kleingrothaus和同事现在声称已观察到新型核衰变过程。如果这种稍有争议的发现成立，则暗示三类中微子具有几乎相同的质量，给予我们观察远远超越我们现在知识的窗口。

 本文对于中微子的质量，认为其他基本粒子的质量。比如，电子质量比光子或中子轻约1800倍，比最重的已知基本粒子（W和Z玻色子和顶夸克）轻了20万倍。我们还不知道为什么这些质量改变如此大，甚至在现代基本粒子的标准模型中。通过比较，直到最近，中微子看来是无质量的，在1950年代物理学家虽然已对此作了解释。

 关键在于手征性。在生物化学中，手征性描述了分子的“手向习惯”，看起来有别于其镜像。一个简单分子，如H₂O，与其镜像相同；但一个复杂分子，如右旋糖，可能不是。某种手性分子在生物学中是重要的，它们的镜像分子不重要，这被认为反映了生命演化过程中的偶然性，而不是分子间的任何内在差异。

 中微子具有相似类型的手征性。基本粒子具有一种内在的量子力学“自旋”。多数粒子以右手或左手方式围绕其运动方向自旋，但中微子总是以左手方式自旋（图2）。像生物学中的手征性，这种性质在大爆炸事件偶然事件中可能确实具有其原因。这种固有手征性对于质量粒子（因为质量粒子的自旋方向可在静止坐标系中通过旋转粒子改变）是不可能的，因此物理学家推测：中微子一定具有零质量。

 但对此有一个问题，而且与反物质一定有关。每个基本物质粒子对应一具有相同质量而电荷相反的反粒子。比如，电子的反粒子e¹是正电子，表示为e^&。相似地，中微子有一个反粒子：反中微子（antineutrino）。反中微子具有与中微子相反的手征性---它总是以右手方式围绕其运动方向进行自旋（图2）。

图1、高能物理学的标准模型：基本粒子及其质量（GeV c，c为光速）。轻子和夸克通过与三种力有关的（弱、强和电磁力）粒子交换而发生相互作用，而形成我们周围可见的雾中。第四种力，引力，仍不能在标准模型框架内得以描述。虽然我们仍不能理解为什么，物质粒子以质量增加顺序形成三大“家族”。 Klapdor-Kleingrothaus et al对稀少的核衰变观察认为中微子质量可能不符合该趋势，但事实上在家族中受物理学家重视。

除其手征性之外，你怎样区别中微子与反中微子了？它们都电中性，因此我们不能从电荷来区别。但另外在基本粒子的相互作用中，是视电荷（apparently charge）守恒的：轻子数（lepton number）。电子和中微子是轻子，而正电子和反中微子是反轻子。相互作用中的轻子数-反中轻子数=轻子数。轻子数和反轻子数可通过很多过程产生，如中微子衰变为一个光子，一个电子和一个反中微子。在该例中，开始没有任何轻子（中微子是一种“重子”），然后一个轻子（电子）和一个反轻子（反中微子）产生了，因此轻子数未改变。实际上，轻子数在所有基本粒子普通过程中是守恒的。

 轻子数守恒概念来源于实验，最初没有任何理论解释。在1970年代，最近发展起来的高能物理的标准模型提出某些洞见：将粒子假设为以标准模型存在，并通过这种体系来统制粒子，实际上不可能违背轻子数守恒律。

图2、手征性是粒子分类特征。a，中微子以左手方式围绕运动方向进行自旋；b，反中微子则以右手方式。

标准模型只不过取得合适地位，然后物理学家开始试图超越它。他们要建立一种统一理论，受基本粒子和力的存在的启发，而不生只是像标准模型那样描述它们。在这种更具有雄心的框架内---乐观地把“大一统”（grand unification）---轻子数守恒不是必然发生的。因此，新观点提出：自然中轻子数应是很接近守恒的，因为在良好检验的标准模型中它是精确守恒的；但大一统论要求轻子数应略微不守恒。

 如果轻子数不守恒，不再提供一种区别轻子与反轻子的方法。他们事实上在同种粒子的两种形式。这种粒子有一种状态，一种自旋方式和其它自旋方式（图2），恰如质量粒子，如电子。所以如果轻子数不守恒，中微子具有质量。但这种质量只可能很小，因为这因为不存于标准模型中。对这种小质量的直接测量是困难的，但对氚原子核衰变的研究已证明：一种中微子小于约2个电子伏特。

 观测中微子质量的更微妙方式取决于如下事实，有三种中微子：电子中微子，m介子中微子和T中微子（一般分别伴随产生电子、m介子和T轻子）。这导致可能发生令人感兴趣的量子力学效应：当传播经过真空，一种中微子能自发转变为另一种中微子。这以中微子振荡（neutrino oscillation）著名，仅当中微子具有质量时才发生。

 现在有大量关于中微子振荡的证据，都是宇宙射线在地球大气圈中产生的中微子和太阳产出的中微子（根据中微子振荡的解释已解决了来自太阳的中微子数与我们实际探测到的中微子数之间长期存在的差异）。在何种迅速移动的区域，实验总走在理论之前，预计在未来几年内要进行很多重要测量。迄今为止，结果支持大一统理论所要求的中微子质量的可能范围。实验也出现一种惊奇现象：测得“混合角”（概率上确定不同类型的中微子振荡）远大于一般理论预测。

 逻辑上猜测，中微子质量是轻子数不守恒导致的。但中微子振荡测量单独不能显示出轻子数不守恒。因此我们能采用某些其它方式吗？这是Klapdor-Kleingrothaus et al.（2001）通过观测原子核衰变⁷⁶Ge➝⁷⁶Se & 2e而声称能做到。该反应称为中微子双b衰变，最终状态包含2个电子（历史上以b粒子著名）而无反中微子。所以反应违反了轻子数守恒，多了两个单位。综合振荡测量，并假设有关粒子仅三种著名的中微子类型，新结果暗示三种中微子具有近似相等的质量，可能是1个电子伏特的十分之几。这是一个令人惊奇的结果，因为其它粒子家族，如夸克和带电荷轻子，不具有近似相等的质量（图1），这对中微子质量起源理论提供了一种严格约束。

但一些告诫说因为实验特困难。学者对假说提出的批评，在分析背景和提取一种极小信号中已表现出了。在无论如何，计划未来实验采用更多⁷⁶Ge（或相似的原子核）将达到更高的灵敏度。从振动测量推测，很多物理学家在这种声明之前已猜到：比这种实验的灵敏度高10³ 或10⁴倍，可能对于确切地观察到违反轻子数守恒现象是必要的。这种灵敏度暗示困难如反馈那样，未来实验是可能的。

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