浅谈中微子的质量问题

1浅谈中微子的质量问题在物质基本组元的大家庭里，中微子属于轻子类，在其家族是个重要且具有特色的成员之一。从对中微子存在的预言存在至今已有近八十年的时间，人们对它的认识是从一无所知到逐渐打开一团团迷雾；对它先从理论上的预测到实验上的一步步的验证或推翻。中微子的质量问题一直是研究中微子的基本且最为重要的问题。在中微子研究的早期根据粒子物理学模型，物理学家一直持有中微子质量为零的观点，但是直到九十年代的几个标志性实验后人们才逐步认识到中微子的质量可能不为零。因此随后对中微子的研究进入了快速发展时期，中微子的质量问题也即中微子的振荡实验已经是当今研究中微子及其相关理论模型的热点问题。中微子静止质量是否为零的研究，已不单单是粒子物理学上的重要课题，更是宇宙学、天体物理学等学科发展的最基本问题，因而具有特别重要的科学意义。1.中微子的发现及中微子质量问题的提出20世纪初物理界遇到一个难解之迷，即：衰变之迷。20年代末物理学家在观测衰变时，发现中子衰变为质子和电子，但质子和电子的总能量和动量并不等于反应前的中子的能量和动量，而且中子、质子和电子均是自旋为1/2的费米子，如果末态只有质子和电子，总角动量的守恒一定会破坏，而这是所不能允许的。于是奥地利物理学家泡利(W.Pauli)于1930年假定在衰变中有一个质量接近于零的中性费米子伴随产生，费米将它定名为中微子。因此根据这个假定衰变的反应式应为：enpe中微子的英文neutrino就是英文中性(neutra1)与意大利文中“小”的字尾ino拼成的。正由于泡利提出这种中性的粒子的可能存在，上述的各种问题均得到满意的解释。3年后，费米(E.Fermi)根据泡利的中微子假设，于1933年提出了四分量衰变理论。该理论不仅成功地解决了谱形和半衰期等问题，而且还发现了除已知的引力和电2力之外还存在第三种力—弱相互作用力。中微子的存在在理论上是非常确定的。但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，需要强有力的探测器才能检测到它们的存在。因此，关于中微子的存在则是在中微子预测后的26年后才相继得到实验上的验证。其实在1941年，我国的王淦昌先生就已建议用7Be原子核的K轨道电子俘获测量7Li原子核的反冲能来证明中微子的存在。后来阿伦(J.S.Allen)根据王淦昌先生的建议用实验间接证实了电子中微子的存在。但由于中微子的反应截面非常小(在低能时约为44210cm量级)，所以中微子存在的直接实验证据直到1956年才由柯温(C.L.Cowan)和莱茵斯(F.Reines)获得，他们利用反应堆反应产物的β衰变产生的反中微子，观测到了反中微子诱发的反应，从而证实了反中微子的存在。1962年莱德曼(L.Lederman)等人在美国布鲁海文实验室的33GeV加速器上证实了μ子中微子和电子中微子是两种不同的中微子。1975年，一批物理学家在美国的斯坦福直线加速器的正负电子对撞机上发现了轻子，佩尔(M.L.Perd)等人认为存在子中微子。但直到2000年8月才被实验所证实。随后的这几十年里对中微子的存在则是做了更多实验上的验证，而且对中微子问题则是做了更多深层次上的研究。早期对中微子的研究主要重点是在通过实验验证其存在的假设，对于它的一些性质则根本无法测量，如质量问题，而只能通过理论预测。1956年李政道和杨振宁在分析了之谜的实验事实后，提出了弱相互作用中的宇称不守恒。接着吴健雄在世界上首先用实验证实衰变中宇称不守恒。随即李政道、杨振宁和朗道(L.Landau)及萨拉姆(A.Salam)各自独立提出了二分量中微子理论。该理论量是根据在弱相互作用中宇称不守恒和假定中微子质量为零，得出在原子核的衰变中放出的中微子没有确定的内禀宇称，而有一定的螺旋性。于是描写自旋为1/2的费米子的相对论狄拉克方程的波函数由四分量变成二分量，即在自然界中只存在左旋的中微子和右旋的反中微子，不存在左旋的反中微子和右旋的中微子。“中微子是左旋的”这一假设是以中微子的静止质量为前提的，因此这套中微子理论的正确性则是建立在中微子的质量为零的基础上，那么这个前提是否是正确的呢？实验会告诉我们……31994年粒子物理研究发现丁两个重大事件。一个是1994年上半年美国费米国家实验室质子—反质子对撞机上的CDF实验。首次发现第六种夸克（顶夸克t），质量(17417)GeVtm。另一个则是1994年日本神冈的地下实验观测到反常宇宙线现象（即大气中微子短缺，探测到的中微子通量仅为理论上的一半）。一些物理学家认为，对该现象的最可能解释是：预期的部分中微子在运动过程中转变为探测器探测不到的中微子，即大气中微子发生了中微子振荡，中微子可能具有静质量。但是由于人们长期受到粒子物理中“标准模型”的制约，大多数学者仍然认为该反常现象不可能是中微子振荡的结果，可能是由于实验中统计涨落的原因。不过还有一个事实是这种反常的宇宙线的发现其实在全球的其他几个大的探测器上都出现过，例如英美Souden合作组建于明尼苏达北部铁矿中的1000吨铁径迹量能器的实验数据，也有力地支持了神冈实验的结果；建于意大利GranSasso地下3000米意美合作组的MACRO探测器从1989年至今获得的数据，也显示了这种反常宇宙线的存在；还有欧文—密执安—布鲁克海文(IMB)合作组在俄亥俄盐矿中的8000吨水契伦科夫探测器也发现了这种反常宇宙线现象。这些绝对不是巧合！1998年6月，日、美国际合作组的超神冈地下实验：在395例中微子事件中，自天而降的事例几乎是从地底下到达的事例数的两倍．这一现象被解释为中微子向中微子的振荡，两种中微子的质量差为232210meV，且有较大的混合角。因此实验证实：中微子有质量和振荡，最轻中微子质量的实验下限为m=(0.070.04)eV，从而否定了中微子质量为零的传统认识。这是一项十多年来的重大物理学发现，对宇宙学中银河系的形成、演变以及宇宙最终命运的理论将产生重要影响，对大气中微子短缺之争以及长期困惑人们的太阳中微子亏损问题都将有所澄清和推动，并将迫使人们对粒子物理学的“标准模式”进行变革，发展超越“标准模型”的新物理。当然这一发现也更加确定了人们通过中微子的振荡实验来探讨它的质量问题。2．中微子的振荡理论按照现行的粒子物理学理论，自然界中存在着三种不同类型的中微子，分别对4应于轻子家庭的三个成员：电子中微子、中微子和中微子，并由此形成轻子“代”的概念，人们也把中微子这三种类型称为中微子具有三种不同的“味”。中微子与他们相对应的反粒子可表示为：ee。在标准的粒子物理学模型中，中微子是一种没有静止质量的粒子。在宇宙空间中，存在着大量产生于宇宙大爆炸时期和恒星内部核过程的中微子。所谓中微子振荡就是指不同类型的中微子之间的互相转化，下面通过简单的理论介绍来说明中微子的这种混合和振荡。理论研究指出，若用123,,分别代表中微子质量的三个本征态，用,,e分别代表电子中微子、中微子和中微子所处的态，则e，和可看作是三个本征态的相干混合态。这样中微子的振荡可具体表述为：如果中微子具有质量，那就必然存在着混合。在中微子源处产生的一束中微子是味本征态，例如在原子核衰变中产生的中微子是e在传播过程中按质量本征态演化，在离源一段距离处可能会产生其它味的成份。以下举电子中微子和子中微子之间的振荡为例来讨论。设1，2分别表示中微子质量的两个本征态，e和分别表示电子中微子和中微子所处的态，θ表示混合角，则1212cossinsincose1和2的相对位相是时间或空问的函数，而且质量的差异会引起相对位相变化，因此就有将电子中微子探测为中微子的可能性。用et表示电子中微子所处的态，则它发生振荡的几率是22222221sin2sin44evvvvxtlPPlmmm5式中vP是中微子的动量，vl是振荡长度，2m是两种中微子的质量平方差。由于2m的值很小，因此振荡长度vl的值很大。如果两种中微子均无质量，则振荡就不会发生。因此中微子振荡要求中微子的质量不为零，它是有质量的。而中微子振荡实验是在具体的实验中能够观测到的，因此中微子振荡研究是澄清中微子质量问题的最好实验。至今已投入运行的中微子实验已不少，主要是从以下几中实验类型来研究：加速器中的实验、大气中微子实验、太阳中微子实验以及反应堆中微子实验。在这不对各类型的实验一一介绍。综合这些实验目前关于中微子振荡实验在以下几种类型中取得了一些初步的成果：e振荡实验、evv的振荡实验、振荡实验以及ex振荡实验等。根据这些振荡实验目前已经有三类实验能够表明中微子有非零的质量差和混合：①太阳中微子的观测；②大气中微子e的反常；③在LiquidScintllationNeutrinoDetectir(ISND)实验中存在可能的evv跃迁。另外还有实验中涉及到的中微子在各代之间混合时直接导致的CP对称性的破坏等等在这不做讨论。总之，在中微子振荡实验的不断发展后，对中微子的质量问题也就越来越清楚了。3.前景展望迄今为止，人们长期对中微子质量和振荡进行研究探索，决不是出于某种好奇心，而是他们既看到了“标准模式”已取得的巨大成功，也看到了它明显的不完善。中微子振荡或其他的机制并没有包含在20世纪最成功的理论—最小标准模型中。换言之，要合理解释所观测到的中微子实验就一定存在超越标准模型的新物理，继而出现了非零质量的中微子、三代中微子间的振荡、各种味中微子混合及三代粒子左、右手征对称等超越标准模型的问题（其实现在关于超越标准模型的研究不单单界限于中微子的研究，还有诸如高能物理的研究和B介子衰变也在寻找超越标准模型的证据）。因此说中微子具有质量和振荡现象并不是对标准模型的否定，而是一种扩充和超越，人们对粒子物理的研究将可能会沿着超越标准模型的新物理方向发展，通往大统一理论之路。6人们期望在21世纪通过对中微子物理的进一步研究，对物质世界的结构、宇宙的演化以及基本相互作用获得更新的理解。其中证明了中微子质量不为零的中微子振荡是粒子物理中的新现象,不仅对粒子物理有着至关重要的意义。同样的对天体物理以及宇宙学都具有非常重要的意义。例如在宇宙论中，一旦实验证实中微子具有质量,它们很可能就是宇宙热暗物质的候选者,起码有助于解释构成90%以上宇宙的暗物质。最后在这简单介绍一下我国在中微子这方面研究的进展状况。中微子是当前国际上粒子物理、天体物理与宇宙研究的前沿与热点。我国在这方面也是积极参与国外的实验。另外在这个基础上我国的物理学家提出了自己的建议：利用我国大亚湾核电站的反应堆群研究中微子振荡的另一个未知参数。目前关于中微子振荡中我们已经知道共有6个参数，但目前仍有交叉混合角13与CP相角两个参数未知。大亚湾反应堆附近建设的中微子实验站就是以测量混合角213sin2，该项目设计可在90%的置信度下测量混合角213sin2的值达到0.01的精度，精度较过去实验提高近一个数量级，有可能首先测量得到213sin2。这对中微子物理的未来发展提供方向性指导，特别是对于理解宇宙中“反物质消失之谜”具有重要意义。该项目由于具有重大的科学意义，目前已得到中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会、广东省、深圳市、中国广东核电集团和美国能源部的大力支持，是中美两国目前在基础科学研究领域最大的合作项目之一，有望取得重大原始性创新成果。