今天费米实验室的MINOS实验发表了新的反中微子实验结果，称正反中微子的振荡有98%的可能不一样。

 

中微子是基本粒子中我们了解得最少的粒子之一，至今仍有大量未解之迷。

 

1967年开始，BNL的Ray Davis在南达科他州一千多米深的废弃金矿里探测到了来自太阳的中微子，发现它比预期的少了三分之二，称为“太阳中微子失踪之迷”。由于实验难度很大，不信的人很多，Davis日复一日地重复这个实验，做了三十年。

 

1990年左右，包括日本神岗、美国IMB等实验在内的一系列大气中微子实验都证明，我们观测到的由宇宙线在大气中产生的中微子比预期少，称为“大气中微子反常”。1998年，升级后的超级神岗实验以精确的数据证实，中微子存在振荡现象。Davis与小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖。

 

其实在这之前，用中微子振荡来解释太阳中微子失踪，看上去就是一件很自然的事情。然而更深入一点看，不同的太阳中微子实验的结果是不自洽的，没有一个中微子振荡模型能同时解释所有的实验。因此也出现了很多其它的解释，像衰变、干涉。后来M、S、W三个人提出了物质效应的影响，大家才意识到，原来太阳中微子不是在从太阳飞到地球的途中发生振荡，而是在太阳内部，在MSW效应主导下发生了振荡。也就是说，太阳中微子还没有飞出太阳就已经变少了。在这个机制下，所有的太阳中微子实验都得到了自洽的解释。后来的超级神岗实验，加上再后来的SNO实验和KamLAND，无可争议地确立了中微子振荡。三代中微子，共六个振荡参数，包括三个混合角，二个质量平方差，一个电荷宇称破坏相角。

 

然而，还有一个很另类的实验，就是在洛斯阿拉莫斯实验室，第一颗原子弹的诞生地，LSND实验看到了中微子减少，但不能用已存在的中微子振荡模式解释，因此提出除了三代正常的中微子外，还存在一种“惰性中微子”(sterile neutrino）。这种中微子一般不跟其它粒子作用，只有在需要的时候，象LSND实验中，它才起作用。

 

基本粒子物理的规律建立在对称性之上。林林总总的各种对称性，使这些规律显得非常漂亮。比如规范对称、时间平移、空间平移、CPT（电荷宇称时间）反演、轻子数守恒等等。例如时间平移对称，就是说一个规律，将时间平移一下，是不会发生变化的。今天做一个实验，跟明天做同样的实验，结果应该是一样的。这样一个似乎显而易见的事实，从最基本的理论上深入挖掘一下，居然隐藏着深意，即时间平移对称性意味着能量守恒规律。Yang-Mills规范理论，刚提出时是没有价值的，因为要保持规范对称性，就不能出现有质量的粒子，与现实不符。可是这个理论实在太漂亮了，所以杨振宁和Mills硬着头皮发表了文章。天才的泡利早就有过类似思想，由于与现实不符，所以没有发表，因此很气愤，反复刁难杨振宁：质量怎么办？杨说，我也不知道怎么办。后来陆续提出了Godstone粒子、自发破缺机制，解决了质量问题，规范对称性成了粒子物理理论的基础。也有不对称的地方。李政道和杨振宁提出的宇称不守恒就是。在弱相互作用中，左和右是不对称的。其实这是中微子捣的鬼，因为迄今只发现了左旋中微子。连右旋中微子都没有，左右当然对称不起来了。除了宇称，电荷宇称联合起来也是不对称的，称为CP破坏。但是CPT联合起来是对称的，迄今没有发现CPT破坏的现象。CPT守恒也是规范场论框架内可以证明的定理。宇称不守恒和CP破坏分别荣获1957年和1980年的诺贝尔奖。发现一个小小的不对称就发一个奖，可见不对称是多么地不容易。

 

宇称不守恒，譬如一个人左眼大右眼小，这一点不对称之不美，物理学家也就忍了。可是搞一个“惰性中微子”出来，好象一个美女，左手五个手指头，右手非说她长了六个，怎么看怎么别扭。因此很多人不喜欢，不相信，台上不说，台下嘀咕说LSND的人做错了。LSND的人很不高兴了，不信我？那我再做一个给你看看。费米实验室的MiniBooNE实验目标就是“验证或否定LSND实验的结果”。2007年MiniBooNE发表了结果，虽然低能部分有点不能解释，但不得不承认，没有看到类似LSND的振荡。折腾了十年，证明自己做错了，心有不甘哪。对称美的卫道士们可以偷笑了。且慢，LSND用的是反中微子，MiniBooNE用的是正中微子。原来之所以运行正中微子，是因为质子打靶更容易打出正中微子，数量比反中微子高3倍。如果是看振荡效应，正反中微子都应该一样，不一样就是另一个大问题了，而用正中微子时间只需要1/3。MiniBooNE争取到了继续运行，将聚焦磁铁电流反转，聚焦反中微子进行实验。又搞了三年，出事了。2010年MiniBooNE发表了反中微子的结果，说在2倍标准偏差下看到了类似LSND的振荡。这下不仅惰性中微子又回到了大家的视野，而且正反中微子还不一样，很热闹。一般粒子物理需要4倍标准偏差，即99.994%的概率才予以确认。2倍标准偏差还属于将信将疑的范围。

 

2倍标准偏差的“疑似”新现象在粒子物理中时有出现，象leptoquark、pentaquark，参见小文。只有一个也就算了，“反应堆中微子反常”也来凑热闹。2011年1月，法国人重新处理了20年前测的核素贝塔谱数据，说以前算的反应堆中微子流强算低了3%。以前总共做过十来个近距离的反应堆中微子实验，与以前的流强计算是一致的，没有看到振荡。按现在的中微子振荡知识，也不应该看到振荡。现在说原来流强算低了3%，也就是说原来的十来个实验都看到了反应堆中微子丢失，法国人称之为“反应堆中微子反常”，然后紧跟着又发了一篇文章，说需要“惰性中微子”才能解释。至此，中微子实验中，正常的基本没有，太阳中微子、大气中微子、加速器中微子、反应堆中微子，统统反常。不过，原来是理论与数据一致，过了20年，现在把流强往高里算，然后说反常了，总是透着点蹊跷。台上不好开口说，台下我是要犯嘀咕的。

 

今天MINOS发布的结果，是乱上添乱。正中微子的结果与超级神岗的大气中微子结果是符合得很好的，质量平方差是2.32x10-3 eV2。今天的反中微子结果则相差很远，拟合出来的质量平方差是3.36x10-3eV2，误差0.4左右。混合角也不一样。假如不存在振荡，MINOS应该看到156个事例；假如振荡规律与正中微子一样，应该看到110个事例；实际上看到了97个事例。正反中微子振荡有98%的几率不一样（也是2倍多标准偏差）。

 

如果MINOS的结果最终证明是对的，那么有可能有两种结果，一是存在“惰性中微子”，二是CPT不守恒。乱世出英雄，想当英雄的年轻人们、想拿诺奖的大侠们，心潮澎湃一会吧。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自曹俊科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-296183-430035.html

上一篇：日本人平时注重核辐射锻炼
下一篇：信专家，不如信明星