“幽靈粒子”質量排序之謎，有望在2030年前解開？

科學家們研究核反應堆產生的中微子、放射性衰變、粒子加速器、太陽、地球和宇宙。圖源：Fermi National Accelerator Laboratory. Credit: Sandbox Studio/Ana Kova

導讀：

物理學家們希望在短短幾年內弄清中微子質量的順序。多項耗資數百萬美元的大型實驗正在或計劃進行。他們確信這一目標能在2030年之前實現。

想象一下，有人遞給你三顆不同口味的口香糖球。你被告知其中一顆比其它的重，而另一顆較輕。但到底是哪顆呢？如果這幾塊糖幾乎沒有任何重量，有時還會互換口味，甚至當你試圖把它們撿起來時，它們大多會直接穿過你的手掌，這時讓你區分它們將是個無比艱巨的任務。

這正是試圖掌控被稱為“中微子”這種幽靈般亞原子粒子的物理學家們所面臨的真實困境。當前理論認為，這些極其微小的粒子有三種類型（或稱“味”），它們充斥著整個宇宙，卻極少與我們熟悉的普通物質發生相互作用。盡管這些粒子的數量驚人，卻異常難研究。

然而，破解中微子究竟有多重以及哪種中微子最重的難題，對粒子物理學家來說至關重要。物理學家們煞費苦心建立起描述自然界所有粒子和相互作用力的“標準模型”，該模型明確指出中微子沒有任何質量。但是，觀測結果卻證實，中微子實際上具有極小的質量。這是物理學標準法則中一個令人頭疼卻又至關重要的例外，并對其他理論產生了深遠的影響。對于任何想要理解宇宙的人來說，解決這個問題勢在必行。

好消息是，物理學家們正在取得極好的進展，并且極有希望在短短幾年內弄清中微子質量的順序，他們確信這一目標能在2030年之前實現。“我認為無論結果如何，我們都會找到強有力的證據，”美國西北大學的理論物理學家安德烈·古維亞（André de Gouvêa）說道。

圖中為過去35年間世界各地進行的實驗收集的數據，使得中微子平均質量的最佳估計值越來越好（圖中顯示了每次測量的誤差）。最新結果（插圖）顯示不確定性范圍更窄，非常接近于零。最新估計表明中微子質量至少比電子輕50萬倍。

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隱形、無處不在

盡管中微子可能很 “ 害羞 ” ，但它們卻無處不在 ：它們是宇宙中數量僅次于光子（光粒子）的第二多的物質。

“對于宇宙中第二多的物質，我們卻知之甚少，這確實有點奇怪是吧？”哈佛大學的中微子物理學家卡洛斯·阿圭列斯（Carlos Argüelles）感嘆道。

中微子可產生于太陽和恒星內部的核反應、穿過大氣層的宇宙射線，以及其他宇宙和地球上的物理反應。核電站和粒子加速器也能產生中微子。據推測，每秒鐘地球上每平方厘米的面積里有數百億個中微子穿過，而我們毫無察覺。

近一個世紀以來，中微子一直是個未解之謎。20世紀30年代，物理學家為了解釋放射性衰變中某些令人困惑的特性，首次構想出了這種粒子。直到1956年才首次在實驗上探測到。那時，科學家們還認定它沒有質量。

然而，從20世紀60年代末到90年代，探測器發現來自太陽的中微子數量遠少于預期，這甚至讓一些人一度擔心我們的太陽是不是快要“熄火”了。但事實證明，這些狡猾的中微子在飛行過程中，在三種類型（“味”）之間自發切換（或稱“中微子振蕩”），導致許多中微子逃避了探測。根據愛因斯坦的相對論，這一觀測結果意味著中微子必然具有一定的質量。

“中微子喜歡搗亂。這正是我們覺得它們有趣的原因，”阿圭列斯說，“它們總愛做些本不該做的事。”

奇妙的是（量子世界常常如此），中微子被認為是由三種底層的質量態組成，它們以不同的概率相互混合，最終表現為實驗中所探測到的三種中微子：電子中微子、μ中微子和τ中微子。其中有一種質量態最重，而另一種最輕。

這些質量態的排序有兩種可能性。電子中微子主要由最輕的質量態組成，τ中微子含有更多較重的態，而μ中微子介于兩者之間，這就是在所謂的正向排序。但情況也可能恰恰相反。在反向排序中，電子中微子由最重的質量態組成，τ中微子則更輕。究竟哪一種排序才是對的？

事實證明，回答這個關于質量排序的問題，比精確測量中微子到底有多重更簡單，因為答案可以通過檢查中微子味振蕩的細節來找到。即便如此，為了回答這個“簡單”的問題，仍需要一系列耗資數百萬美元的大型實驗和數年的時間。

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遍布各地的中微子裝置

大多數中微子探測器的工作原理，是捕捉中微子穿過巨量的液體（比如水）時，偶爾與其中的粒子發生相互作用而產生的微弱信號。不同的 “ 味 ” 會產生不同的圖案 ： 例如， 有 的 粒子 會在水中留下一條筆直的軌跡，而 有的 粒子 則會產生如同微型煙花般的軌跡群。

由于這些相互作用非常罕見，且難以被完美捕捉，研究人員需要經過長時間積累海量的數據，才能自信地對他們所觀察到的現象及其物理含義得出統計上可靠的判斷。

其中一些探測器最初設計的目的，是監測宇宙射線在地球大氣層中相互作用產生的中微子。探測器通過觀察直接從最近的天空進入探測器的中微子，與那些（例如在地球另一端產生并）穿透整個地球的中微子之間的差異，來獲取寶貴的信息。

空氣和地面都充當了透鏡，影響到中微子在到達探測器之前的味振蕩。通過比較這些不同路徑，物理學家可以了解到大量關于中微子振蕩的信息，正如前文所述，在不同的質量排序下，這種振蕩行為理應是不同的。

這類巨型裝置包括世界上最大的中微子探測器 —— 冰立方 （ IceCube ） ，它將光探測器穿在纜繩上，沉入南極冰層深長的鉆孔中 ； 還有日本的超級神岡探測器 （Super-Kamiokande，以及目前正在建設、預計2028年 投入使用 的頂級神岡探測器Hyper-Kamiokande） ，它們使用的是人造水箱 ； 此外還有最近剛投入運行的 ORCA 探測器，負責捕捉飛過地中海深處的中微子。它們各有優缺點、不同的探測能力和不確定性，但基本原理大同小異。

圖中為南極洲的IceCube實驗裝置，它使用埋在冰層下的長串光探測器來探測偶爾與經過的中微子相互作用產生的微弱閃光。（圖源：ICECUBE / NSF）

阿圭列斯認為，到 2030 年，這 些實驗裝置 將共同收集到足夠的數據，以妥善 處理 質量排序的問題。

他表示，更好的做法是將這些大氣中微子實驗的結果與新建成的江門地下中微子實驗觀測站（JUNO）的結果進行對比。JUNO是中國最近建成的一個項目，已于2025年8月底啟動。

JUNO位于地下深處，由一個直徑35米的塑料球體組成，內部裝有20000噸液體，并密密麻麻地布滿了光探測器。它的特別之處在于，其目標是探測附近核能設施產生的中微子。由于這種中微子來源不同（核能設施而非宇宙射線），且中微子的飛行路徑也不同（從源頭到探測器僅50多公里），這種設置產生了一個與大氣實驗互補的數據集。阿圭列斯認為，將兩者進行對比，或許能在短短一兩年內迅速破解質量排序的難題。

圖中是大亞灣地下中微子實驗站（JUNO）在2023年建設期間的照片。該裝置于2025年8月下旬運行，主要監測附近核能設施產生的中微子。人們希望JUNO能夠為哪些中微子質量最大、哪些中微子質量最小提供新的見解。（圖源：新華社 / Alamy Live News）

古維亞贊同這些是很好的策略，但他補充說，在交叉比對多個實驗的結果時可能會遇到麻煩——如果不走運，誤差可能會被成倍放大。他認為，最出色、最可靠的結果將來自深地中微子實驗（DUNE），這是一個他正在參與的美國項目。

DUNE將利用伊利諾伊州費米實驗室的粒子加速器產生極其高強度的中微子源，并用它射穿地層，射向1300公里外位于南達科他州桑福德的一個巨型探測器。因為這些中微子是專門為這個實驗定制的，數量龐大，且研究人員對它們的了解遠多于那些依賴天然或偶然產生的系統。這給了他們巨大的優勢。不過，DUNE要到2031年左右才會啟動。

“以粒子物理學的時間尺度來看，這已經算是近在眼前了。 ” 古維亞說 道 。

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正向還是反向排序？

迄今為止，結合 JUNO 的早期結果 及 大氣實驗數據，似乎已經給出了一些暗示。 “ 數據 似乎傾向于 正向排序， ” 阿圭列斯說。對于包括他在內的一些物理學家來說，這稍顯令人沮喪。

理論表明，“正向”排序意味著中微子的總重量較輕，這將使確定其重量的具體數值變得更加困難（因為數值越小，就越難測量）。

這也使得驗證其他理論變得更加困難。例如，有一種理論假設中微子就是它們自身的反粒子。阿圭列斯指出，在正向排序和較低的中微子重量下，確認這一理論所需的相互作用發生的頻率會極低——沒有人能夠使用目前任何已知的實驗來證實或駁斥這一理論，這意味著答案至少還需要幾十年才能揭曉（或者根本無法確定）。

但目前一切都還沒有定論，阿圭列斯仍希望“反向排序”能夠勝出。“那樣會更有趣，”他說。

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測定極微小的質量

與此同時，確定中微子絕對質量的探索極度艱難。“ 你需要具備極高分辨率的探測器， ” 阿圭列斯說。這項工作 非常難 ，目前只有 一個裝置 有能力進行嘗試 ： 位于德國卡爾斯魯厄的卡爾斯魯厄氚中微子實驗 （ KATRIN ） 裝置 。

圖中為卡爾斯魯厄氚中微子實驗（KATRIN）裝置。該裝置中的部分組件過于龐大，在2006年從制造地運往卡爾斯魯厄時幾乎擠不進街道。這是目前唯一能夠測定中微子質量的實驗裝置。（圖源：卡爾斯魯厄研究中心）

KATRIN依賴氚元素進行實驗，這種重的放射性氫同位素在衰變時，會釋放出一個電子和一個反中微子。研究人員的目標是精確測量衰變產生的電子中能量最高的一部分，從而推斷出那些被看不見的反中微子帶走的微乎其微的能量部分。由此，他們就能計算出質量，因為正如愛因斯坦所說，質量等價于能量。理論認為，中微子和反中微子的質量是相同的。

這種方法產生了大量的電子，并使用一個長23米、寬10米、龐大且昂貴的真空管道來過濾掉除最高能電子之外的所有物質。這個裝置非常龐大。阿圭列斯說：“它非常大，而且非常復雜。所以全世界僅此一臺，建造它花費了很長的時間。”

根據KATRIN在2019年至2022年間收集的數據，研究人員首次嘗試給出了答案：中微子的平均質量必須小于0.8 eV（電子伏特eV在此用作質量的計量單位）。幾年后，隨著更多數據的產生，到2025年他們將這一上限幾乎減半至小于0.45 eV。這極其輕——至少比電子輕50萬倍——這是一項巨大的技術成就。但宇宙學理論表明，實際質量仍然要低得多——可能小于0.1 eV。

“ 能獲得這個測量結果非常令人興奮， ” 卡爾斯魯厄理工學院參與 KATRIN 實驗的天體粒子物理學家 馬格努斯 · 施洛瑟 （ Magnus Schl?sser ） 說。 “ 當然，如果我們真的徹底解決了中微子質量問題，我們會更加激動。 ”

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未來計劃

如果中微子的質量小于 0.3 eV ，那將超出 KATRIN 的測量能力。因此，物理學家們正計劃通過其他實驗裝置來提升探測水平。 “該領域 是非常有創新精神的， ” 施洛瑟 說 道 。

其中一個項目是“PROJECT 8”：它同樣從分裂重氫開始，但它測量的是電子在磁場中螺旋運動時發出的微波輻射，這應該在評估中微子質量時提供更高的精度。不過，該項目仍處于研發階段，沒人確切知道它何時能建成。

其他被提議的未來實驗，包括被稱為KATRIN++的下一代項目，則使用改進輻射源和測量更多電子等技巧來攻克這些問題。但施洛瑟說，這也需要幾十年的時間，他希望能在自己退休前的25年內得到答案。

通過逐步攻克質量和質量排序的問題，物理學家們真正想要弄清楚的是，中微子為什么會有質量，以及它們是如何獲得質量的。

阿圭列斯說：“我們想知道那個精確的數字，以及它之所以是這個數字的原因。”中微子真的會離奇地是其本身的反物質嗎？它們是否擁有某種以前未知的電荷類型？我們是否徹底遺漏了標準模型中的一批粒子，包括第四種可能的“味”的中微子？

這些問題似乎沒有盡頭，可能的解釋也極其廣泛、光怪陸離。雖然這些知識目前還沒有任何已知的實際應用，但它觸及了我們理解萬事萬物的根基。

“我不知道你是否關心宇宙的歷史，”古維亞說。“但如果你關心，那你就必須知道中微子的質量。”

來源：賽先生

編輯：LYang

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