中微子质量观察

发布时间：80年12月28日

A. De Rújula* S. L. Glashow** 编译刘元希

几个月来，有关中微子的两组实验成果报告震撼着物理学界。其一，由美国加利福尼亚大学欧文分部的弗雷德里克 · 莱因斯及其小组在核反应堆的中微子测量的基础上的实验，解释为中微子质量不等于零的证据。其二，欧洲原子核研究组织（CERN）中微子实验的初步结果也得出了同样的结论。相同程度的两个实验提示：中微子的三种已知形态间可能有互变现象。这一结论将有助于说明检测到的来自太阳的中微子数量小于理论预测值的原因。然而，这种实验成果的解释，迄今为止依然属于存疑的，而且是有争议的。显然，我们将有一段滔滔争辩的时间。但愿这些实验终将使这一逗人兴趣的问题的解决成为现实，事实上也是应该如此的。

1932年，泡利假设了中微子（及反中微子）的存在，从而使为什么β射线跟α射线和γ射线不一样、不是单能的问题能够解释得通。原子核的β衰变所释放的定量的能分散于电子和中微子这两种轻的粒子之间

μ介子是带电粒子，和电子极相似，但较重些，它在极类似于β衰变的π介子衰变中与中微子一起产生。1962年我们获悉，与μ介子一起产生的中微子跟与电子一起产生的中微子（υ_e）不同，因为由衰变π介子产生的“μ介子中微子”束产生μ介子，已经在探测器中观测到，但绝不是电子。今天，这种明确具有更重电荷的电子的同属叫做τ，看来它也有其相同类型的中微子（υ_τ）。

十年前，氚的β衰变的实验研究已经论证电子中微子的质量可能为零，无论如何，也必须是极小的，必须小于60 eV/c²或10^-31克^①。它的质量比电子至少小四个数量级。也许，所有这种中微子都是绝对没有质量的——更简洁、更优美的可能是什么？麻烦的是这种理解一度被证明为根本不对称的空间反映、时间反演和电荷共轭引入了迷途。自然界将设法使自己更简洁、更优美！我们不敢为没有逻辑必然性的自然规律定框框。能量守恒、电荷守恒，已经牢固地建立起来，而其它许多“规律”还是存疑的：质子可能并不永存，中微子的质量可能仅是十分渺小的。

事实上，最近来自莫斯科的理论与实验物理研究所的报告提出，电子中微子的质量不等于零。而且对氚的β衰变作了进一步的研究。因为它是一切β衰变中能量最小的，因而对中微子的质量是最敏感的。根据作者“结果也许将为质量不是零的中微子的存在”在14 ~ 40 eV/c²的范围内“提供证据”这一谨慎的结论反映了分析实验结果的极大困难，因为这种中微子的质量对电子所观察到的能的影响跟必须进行的原子和分子的校正是同一数量级的。然而，天体物理学家必将为苏联的结果高兴。因为他们可以解决中微子质量为几个或者几十个eV的问题。看来^②，我们的宇宙具有比足以说明物质已知形式多得多的质量。“失去质量的问题”在各种尺度上循环发生——作为总体的宇宙、星系对、星系簇的动力学，以及大部分星系具有巨大的、膨胀的和不发光的环，可能这些失去了的质量就是中微子的形式。

宇宙学的黑体辐射解释为原始大爆炸的遗迹和证据，同引人注目的电磁辐射一样，中微子必须包括在内。按平均数计算，宇宙的每一立方厘米，一定为几百个中微子占据着。如果最重的中微子具有5 ~ 50 eV/c²的质量，这些残遗在宇宙中的中微子的重量将超过星球的重量。它们将提供失去的质量，能够结合成星系，形成光环。我们宇宙的质量将主要包括中微子，而中微子是如此微弱地相互作用，以致只能通过它们总的引力作用而被探测到。

不等于零的中微子的质量，还包含着具有一种新现象的意义，这种新现象叫做中微子振荡，或者叫中微子的混合。1968年苏联物理学家B. Pontecorvo指出，大量的中微子可能在不断振荡中改变它们的特性。在β衰变中，像电子中微子那样产生的粒子，可能周期性地表现得同μ介子中微子或τ中微子一样。假定有三种类型的中微子，而且都不是没有质量的，把它们分别叫做υ_H、υ_M和υ_L：最重、次重和最轻。最关键的是υ_e不需要属于这些中微子的一种。它的波函数可能是μ介子中微子和τ中微子成为三者的正交组合再跟相同三者的线性组合。在这个表象中，从核的β衰变中产生的中微子像电子中微子那样产生的，但是随着时间的推移，它们的υ_H、υ_M和υ_L各自不同地演化。当线性组合起了变化，这种中微子束就成为电子中微子、μ介子中微子和τ中微子组分的混合，于是中微子质量差所决定的频率特性将有振荡。这些振荡能够导致新的具有显著影响的变异。

电子中微子应该在赋予太阳以动力的机制中大量产生。当这些太阳中微子把氯原子嬗变为氩原子时，它们已经在地球上被检测到。这种检测到的太阳中微子的通量，比理论预测值小了三分之一左右。关于“太阳中微子问题”，有两种流行的解释，一是源于观察，认为氯的实验对太阳中微子能量最大的一小部分敏感。它们是在太阳的核反应过程中产生的，为这种反应所作的太阳的通量计算可能有错差，因而有必要使用对中微子能量在较广范围内敏感的探测器重复这个实验，那就需要多少吨昂贵的进口材料像镓或铟啊！但是，中微子的振荡现象能够为太阳中微子问题提供更其引人入胜的解答。太阳中微子通过最大的振荡，在它们到达地球的时间里，可能已经成为三种不同类型中微子的等量混合。由于太阳中微子检测法仅对电子中微子敏感，因而表观通量降到三分之一。太阳中微子这种小于理论预测值的解释，要求中微子至少具有10^-6eV和相当程度的混合。

最近一些有基础的实验指出了中微子振荡的方向（但并不等于足以服人的证据）。这些结果的两个试验性的设定必须认为为更精确的实验出了一道难题，而这种实验又是能够做到同时也是必须做到的。

这个实验的解释已经有人作了评述^③。他们指出，同一小组在相同实验条件下所完成的重氢实验和早些时候的氢实验之间可能出现不一致。如果把这种不一致考虑进去，那么中微子振荡的证据就更少可信之处了。不一致是存在的，莱因斯的修正版原稿，正在传阅中。

第二批数据来自欧洲原子核研究组织要求由等量的电子和μ介子中微子构成的中微子束的加速器实验，这些中微子能量很大，因而μ介子中微子可以在探测器中相互作用以构成μ介子，恰好同电子中微子可以相互作用以构成电子一样。如果没有中微子振荡，人们就应当在探测器中检测到等量的电子和μ介子，如果在电子和μ介子中微子之间有振荡的话，那么它们也将是真实的，因为有与υ_e变成υ_μ—样多的υ_μ变成υ_e。大欧罗巴气泡室在这种中微子束中已经检测到20起左右的中微子感应事例^④。只有半数的电子和μ介子被检测到，但是很清楚，统计数字是受到限制的。假如检测有效的话，那么可能的解释将是电子中微子和τ中微子混合了。这就使欧洲原子核研究组织的实验、莱因斯等的实验和太阳中微子的实验对电子中微子组分在表观系统上小于理论预测值解释得通。

这样几种启发性的实验表明了中微子是有质量的，而且的确是不断振荡的，任何实验都属无可争辩的。然而，这样的结果对强 - 弱 - 电磁相互作用的统一的时行理论的发展将极为合适。这些“大统一理论”预示重子数是受到干扰的，因而所有的核物质到头来都要衰变。不少都要求中微子具有质量，但这些质量是什么又说不上。粒子理论家可能也不十分清楚他们正在干什么，但的确感到他们的路子是对头的。从质子衰变实验和中微子振荡实验得出的正面结果将告诉我们很多关于基本理论的性质，例如包括七个比无质量中微子模型更加可测量的参数的中微子质量模型。我们需要这些线索。另外，质子衰变和中微子振荡实验不必依靠建造空前的大型加速器。高能物理的前沿的确十分重要，但是对需要较低能量的基本粒子实验来说，有待探索之处，也还是多着哩I