37. 中微子是它自己的反粒子吗?

Are neutrinos their own antiparticles?

中微子是基本粒子中最为神秘的粒子，直到今天中微子依然充满了让人迷惑不解的问题，下面我们来讨论一下关于中微子的一个问题：中微子的反粒子。

标准模型认为中微子是轻子的一种，它是组成自然界的基本粒子之一，常用希腊字母ν表示。中微子不带电，且质量极小，它与其他物质的相互作用也十分微弱。目前实验上已经确定的中微子有三种：电子中微子，缪子μ中微子和陶子τ中微子，分别对应于三种轻子：电子、缪子(μ子)和陶子(τ子)。

图1 标准模型中对中微子的分类

中微子的发现来源于原子核的衰变。1896年贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)发现重元素如铀的原子核不稳定会衰变为其他原子核，衰变中原子核会放出核放射线。根据核放射线在磁场中的偏转，科学家发现核放射线带有三种电荷：正电、负电和不带电，分别对应于核的阿尔法α衰变、贝塔β衰变和伽玛γ衰变过程。然而经过进一步研究发现，原子核的贝塔衰变过程非常复杂（图2所示），几乎元素周期表内所有元素的原子核都可以发生贝塔衰变，而且贝塔衰变的种类也很多，比如放出电子的负β衰变，放出正电子的正β衰变；然而在负贝塔衰变中对电子能量的研究得到了一个让人迷惑的结果：电子的能谱不仅连续而且电子似乎只携带了核衰变总能量的一部分，还有一部分能量消失了，这就是贝塔衰变的能量不守恒之谜。

图2 原子核的贝塔衰变过程

这是一个让人无法接受的结果。后来泡利提出贝塔衰变中应该产生了另外一种不易被实验探测到的粒子：中微子。这样能量不守恒的锅甩给了当时不知道存不存在的中微子。然而后来中微子在实验中被找到，而且费米还给出了弱相互作用的理论完美解释了实验结果。一般的贝塔衰变是核内造成不稳定的多余中子（比如内层电子被原子核捕获）通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个反中微子的过程（如图3所示）。后来的实验不仅发现了三种不同的中微子，而且还发现不同中微子之间相互转变的中微子振荡现象，而这些研究结果都被屡次授予了诺贝尔奖。

图3 中子的贝塔衰变过程

但由于中微子与其他物质的相互作用十分微弱，探测中微子的实验就变得非常困难，所以围绕中微子还有很多迷没有解开。首先是中微子的质量及其起源问题，中微子有没有磁矩的问题；再就是：中微子是不是自己的反粒子的问题。

反粒子的概念不再啰嗦，可参考问题32：正物质为何多于反物质?目前的实验已经确认几乎所有的粒子都存在对应的反粒子，比如电子的反粒子是正电子，质子和中子分别对应反质子和反中子，而对于三种中微子，也应该存在三种对应的反中微子。由于反粒子的电荷和正粒子相反，其自旋也会相反，中微子是电荷为零、自旋为1/2的费米子，那中微子的反粒子和其他粒子的反粒子一样应该不存在什么特殊的特征。

图4 分子粒子的手征示意图

然而除了电荷和自旋的基本属性以外，粒子还存在另外一种量子属性：手征，或称为空间的螺旋性（如图4所示）。手征是指粒子和其镜像粒子不重合或不同的特性，这个就牵扯到著名的宇称不守恒。按照正常理论，粒子只有两种手征：左手征和右手征。所以对于中微子来说，考虑其手征，狄拉克理论预言应该存在四种中微子：左手征中微子，右手征中微子，左手征反中微子和右手征反中微子。然而杨振宁和李政道的理论认为：对于中微子参与的弱相互作用，宇称并不守恒。而后来吴健雄等人关于中微子的核贝塔衰变的实验结果验证：实验上观测到的中微子竟然都是左手征的！也就是在所有的产生中微子的实验中只发现了自旋方向与其运动方向相反的具有左手征的中微子，或者自旋方向与其运动方向相同的右手征型的反中微子。

然而只存在左旋中微子在标准模型框架下失去了通过希格斯场获得质量的可能性，因为标准模型所给出希格斯质量机制必须通过左旋和右旋波函数的“汤川耦合”项才能从希格斯场获得质量，所以中微子在标准模型框架下没有质量。

图5 标准模型质量来源的希格斯机制

然而中微子真的没有质量吗？1998年日本超级神冈探测器和加拿大萨德伯里中微子观测站以及后来一些中微子振荡实验都发现中微子具有微弱的质量，而这个结果也被2015年的诺贝尔物理学奖所肯定。其中我国的著名物理学家王贻芳院士领导的大亚湾中微子实验室还发现了一种新的中微子振荡，更加肯定了所有中微子都应该有质量的问题。王贻芳院士的这一工作也因此获得了2015年基础物理学突破奖。然而三种中微子及其反粒子质量的具体数值到底是多少，现在还不是很清楚。

图6 中微子振荡示意图

以上的这些发现让人们对中微子的狄拉克理论丧失了兴趣，人们进一步把目光转向了中微子的另一种理论：有质量的马约拉纳型中微子理论。

早在1937年意大利物理学家马约拉纳就提出了另一种关于中微子的理论，我们称为马约拉纳中微子。该理论认为中微子和反中微子其实是一种粒子。描写马约拉纳中微子的马约拉纳方程预言，如果中微子具有质量，那它就可以在中微子和反中微子之间来回转变，也就是中微子和反中微子其实就是相同的粒子。所以在中微子质量被确认之后，人们接下来的研究目标就自然转向两个方面：寻找超出标准模型之外的中微子质量机制和寻找马约拉纳中微子。

在寻找马约拉纳中微子的线索中，有一个非常关键的突破点就是：寻找打破轻子数守恒的理论和实验证据。然而根据目前的粒子物理实验：在所有的物理过程中轻子数是守恒的。所以这就像当初面对宇称守恒一样，要想推翻轻子数守恒，需要找到一个非常靠谱的实验方案。

图7 马约拉纳型中微子模型

那什么又是轻子和轻子数守恒？所谓的轻子就是一类具有质量和1/2自旋不参加强相互作用的基本粒子。与轻子相对，参加强相互作用的基本粒子统一称为强子。标准模型分类命名了6种轻子，就是上面介绍中微子时提到的：电子、缪子μ子和陶子τ子及其相对应的反中微子。所以轻子数非常简单，就是反应过程中轻子的个数，也就是一个轻子的轻子数就为1，不是轻子就是0，反轻子的轻子数为-1。那么在一个过程中反应前的轻子数等于反应后轻子数就是轻子数守恒。比如中子衰变过程，一个中子衰变为一个质子加一个电子和一个电子反中微子，轻子数守恒的等式可写为：0 = 0+1-1。这里顺便说一下，对应于轻子，标准模型还有重子的概念，同样在粒子反应过程中还存在重子数守恒定律，这里不再赘述。

图8 轻子数守恒

那为什么非要打破轻子数守恒才能证明中微子的反粒子就是它自己呢？这还是来源于我们这个世界正粒子和反粒子是不对称的客观事实。现在科学家们寻找打破轻子数守恒所青睐的实验称为：原子核衰变的双贝塔衰变过程（图9所示）。双贝塔衰变是不稳定的原子核衰变成另一个原子核时放出两个电子和两个电子反中微子的过程。这个过程显然满足轻子数守恒。但是如果中微子是它们自己的反粒子，那么在双贝塔衰变过程中释放的两个反中微子就可能彼此湮灭并消失，从而违反轻子数守恒，而这个过程被称为无中微子的双贝塔衰变过程。这个过程如果存在，那么由于轻子不守恒就会导致这个世界正物质多于反物质的结果，从而也为第32个问题提供一个可能的答案。

图9 原子核衰变的双贝塔衰变过程

然而“中子是不是它自己的反粒子”这个问题的答案到现在依然没有结果，因为这个原子核的无中微子双贝塔衰变实验到目前还没有得到确切的实验结果。