物理新知–中微子的靜止質量
文﹕夏雲傑    

中微子可以輕易穿過地球
圖一  中微子可以輕易穿過地球
按照愛因斯坦的相對論,一個物體的能量是其運動能量與靜止能量之和,靜止能量是靜止時物體的物質所對應的能量,是物質的基本屬性之一,其大小為,其中為物體的靜止質量,是真空中光速,此即為著名的愛因斯坦質能關係式,是核能應用的理論基礎。在我們所認識的基本粒子中,絕大多數均有大小不等的靜止質量。靜止質量為零的粒子極少,我們所熟知的是光子就是其中之一。長期以來,物理學理論一直以認為中微子的靜止質量為零,但是日本的超級神岡 (Super-Kamiokande) 中微子天文台最近卻發現,中微子具有不為零的靜止質量,這一發現,立刻成為物理學界和天文學界的熱門話題,那麼為甚麼中微子的靜止質量對物理學和天文學具有如此大的影響呢?

甚麼是中微子

1930年,泡利 (W. Pauli) 為了解釋衰變過程中電子能量連續分佈的特性時提出了中微子假設,認為在衰變中除了放出電子外,還同時放出一種中性粒子。1934年,費米 (E. Fermi) 建立了衰變理論,並正式將這種中性粒子命名為中微子。目前的粒子物理學認為自然界中有三種不同的中微子,分別對應於輕子家族中的三個成員,它們是電子中微子中微子中微子,換句話說,有三種不同狀態 (或稱為「味」) 的中微子。與其它粒子一樣,存在著與中微子對應的反粒子,稱為反中微子。根據粒子物理的標準模型,中微子是靜止質量為零,自旋為1/2的粒子。中微子僅參與弱相互作用 (weak interaction),它在粒子反應中出現與否成為弱相互作用存在的標誌。從理論上講,中微子的存在是十分肯定的,但它與普通物質的相互作用非常弱,能夠幾乎毫無阻礙地穿過地球,使探測它的存在變得極其困難,但它的存在及其靜止質量的大小對宇宙學和物理學都有極大的意義,因而受到科學界的廣泛重視,並曾被認為是廿世紀末期物理學有待解決的重要問題。

中微子靜止質量的物理意義

60年代末期,物理學家成功地把電磁相互作用和弱相互作用統一起來,稱為電弱統一理論 (Electroweak Theory),後來並獲得諾具爾物理學獎,這個理論預言中微子的質量為零。後來物理學家試圖把自然界中所有的四種相互作用都統一起來,提出了大統一理論 (Grand Unification Theory),這一理論預言質子的衰變和中微子具有非零的靜止質量,由於質子衰變的半衰期達1031年,中微子與其它粒子的相互作用很弱,企圖證實這兩個預言是極其困難的,到目前為止,人們還沒有找到質子衰變強而有力的證據,但中微子靜止質量的發現無疑是大統一理論探索過程中的里程碑。由於現在粒子物理的標準模型理論極其嚴密,其預言也多被實驗所證實,中微子靜止質量的證實使得物理學家不得不修正過去粒子物理學理論的標準模型,我們有理由相信,現在的標準模型只是另一個更嚴格理論的一個較好的近似,可能不久將來會有許多新的粒子被發現,新物理概念的出現和新理論的誕生。

中微子靜止質量的宇宙學意義

目前公認的宇宙學理論是大爆炸模型,這理論認為宇宙在一次大爆炸中誕生,並一直膨脹。但是大爆炸理論的其中一個預言與實際的天文觀測結果有很大的差異。從天文觀測中,科學家發現宇宙物質的豐度遠少於大爆炸理論的預期值,如果大爆炸理論是正確的,則意味著宇宙中還有大量未被發現的暗物質 (dark matter),這些暗物質必須是穩定的或壽命極長的粒子,而且不參與電磁相互作用 (electromagnetic interaction),因此不可能向我們發出電磁信息而顯示它們的存在。從目前所知道的基本粒子中,只有中微子可能是暗物質的候選者。最新的研究表明,只要三種中微子的質量之和達到幾十個電子伏特 (eV),目前的天文觀測結果便可獲得很好的理論解釋。

太陽中微子失蹤與中微子振盪

在太陽內部的核反應中,每時每刻都有大量的中微子產生,但幾十年來對太陽中微子的觀測結果表明,來自太陽核反應過程的中微子通量只有理論預言的約1/3 - 1/2,這一現象稱之為太陽中微子失蹤問題。為了解釋這一現象,物理學家推測,如果中微子的靜止質量不為零,按照量子力學,中微子在從太陽傳到地球的過程中,會在它們三種不同的「味」之間轉換,稱之為中微子振盪,由於過去的觀察儀器只能探測電中微子,故有上面的失蹤問題,中微子的靜止質量不為零對這個問題給出了明確的答案。

未完的故事

雖然中微子的靜止質量不為零已被實驗證實,但存在的問題依然很多,譬如,目前只能得出電子中微子和中微子的質量之差,還不能確定中微子的絕對質量,另外,第三種中微子中微子還沒有被發現。自然界中是否還有其它「味」的中微子呢?各種中微子的質量到底是多少?實驗還不能給出明確的回答。中微子靜止質量不為零的事實解決了目前粒子物理學和宇宙學中很多基本的問題,但同時又使粒子物理學面臨著巨大的挑戰,我們可以預期,未來宇宙的形成和演化的圖像也將會與現在有很大的不同。由於中微子靜止質量還沒有被確定,因此我們對宇宙的歷史和它未來的命運仍然未能完全知曉。