浅谈中微子的质量问题

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: ,

,npe,，，, e

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

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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77淦昌先生就已建议用原子核的K轨道电子俘获测量原子核的反冲能来证明BeLi

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

,442微子的存在。但由于中微子的反应截面非常小(在低能时约为量级)，所以中10cm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(ndau)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……

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1994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)，m,,(17417)GeV质量。另一个则是1994年日本神冈的地下实验观测到反常宇宙t

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Gran Sasso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232,,,，meV210向中微子的振荡，两种中微子的质量差为，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

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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”,,