中微子之謎:它總是以光速行進嗎?

幾十年來，中微子一直是最令人困惑和難以捉摸的宇宙粒子之一。從最初被預測到最終被檢測到，花費了20多年的時間，並且伴隨著許多驚喜，使它們在我們所知道的所有粒子中顯得如此獨一無二。

它們可以從一種類型（電子、μ子，τ子）「改變風味」為另一種。所有的中微子總是左旋，所有反中微子總是右旋。我們現在觀察到的每一個中微子的移動速度都與光速沒有區別。

中微子探測器

中微子總是以光速行進嗎？中微子具有質量，因此沒有理由它們不能以慢於光速的任何速度行駛。任何有質量的東西都可以慢於光速的任何速度傳播。為什麼我們現在只看到中微子以與光速一致的速度運行？這是一個有趣的問題。

中微子最初於1930年提出，當時一種特殊的衰變類型——β衰變似乎違反了所有最重要的兩個守恆定律：能量守恆和動量守恆定律。當原子核以這種方式衰減時，它的原子序數增加1，發射了一個電子，並失去了一點點質量。

當將電子的能量和衰變後核的能量相加時，它總是比初始原子核的質量小一些。當測量電子和衰變後核的動量時，它與衰變前核的初始動量不匹配。要麼失去的能量和動量而使假定的基本守恆定律不適用，要麼是被迄今尚未發現的額外粒子帶走了多餘的能量和動量。

大型原子核中β衰變示意圖

用了約26年檢測到了這種難以捉摸的中微子。儘管仍然無法看到這些中微子，但可以檢測到它們發生碰撞或反應的粒子，從而提供中微子存在的證據，並展示了其性質和相互作用。中微子顯示了許多種方式，每種方式都提供了一種獨立的測量方法，並顯示其具有約束性的性質。

已經測量了核反應堆中產生的中微子和反中微子；已經測量了太陽產生的中微子；測量了與大氣相互作用的宇宙射線產生的中微子和反中微子；已經測量了粒子加速器實驗產生的中微子和反中微子；測量了最近一個世紀出現的超新星產生的中微子：SN1987A；近年來在南極洲冰層下已經測量到了來自活躍的銀河系中心的中微子。

距離約16萬5千光年的超新星SN1987A

綜合所有這些信息，已經獲得了有關這些幽靈般的中微子的大量信息，其中特別相關的如下事實：

所觀察到的每一個中微子和反中微子的移動速度都如此之快，它們與光速沒有區別中微子和反中微子都有三種不同的風味：電子、μ子和τ子所觀察到的每一個中微子都是左旋的，而每個反中微子都是右旋的中微子和反中微子通過物質時會從一種振蕩類型轉變為另一種類型，即改變其風味儘管中微子和反中微子似乎以光速運動，但它們必須具有非零的靜止質量，否則這種「中微子振蕩」現象將是不可能的。

電子中微子振蕩進入其他兩種風味的概率分布

中微子和反中微子具有多種能量，並且中微子與你發生相互作用的機率會隨著中微子的能量而增加。換句話說，你的中微子擁有的能量越多，與你互動的可能性就越大。

綜合所有的觀察，使我們能夠得出關於中微子和反中微子質量的一些結論。首先，它們不能為零。三種類型的中微子幾乎可以肯定彼此具有不同的質量，其中最重的中微子的質量約為電子質量的四百萬分之一。通過兩套獨立的測量值：宇宙的大規模結構和大爆炸留下的殘餘光，得出結論，在大爆炸中，宇宙中的每個質子大約產生了十億個中微子和反中微子。

中微子在宇宙大規模聚類數據中的烙印

這就是理論與實驗之間脫節的地方：從理論上講，由於中微子的靜止質量非零，因此它們應有可能減速至非相對論速度。從理論上講，從大爆炸中遺留下來的中微子應該已經減速，今天它們應該僅以幾百公裡/秒的足夠慢速度運動，以至於現在應該落入星系和星系團中，約佔宇宙所有暗物質的約1％。

但是在實驗上，根本不具備直接檢測這些緩慢移動的中微子的功能。實際上，它們是如此微小以至於沒有機會看到它們，所具有的微小的能量不會對我們的現有設備產生明顯作用。除非能夠加速現代中微子探測器的速度使其非常接近光速，否則這些應以非相對論速度存在的唯一低能量的中微子，將仍然無法被探測到。

中微子在大型物質箱中產生輻射而被探測

如果能夠檢測到這些與光速相比速度較慢的低能量的中微子，從而將能夠執行從未有過的重要實驗。想像有一個中微子，在你前方運行。如果能觀察這種中微子，則可以測量它的直線向前移動。如果能測量中微子的角動量，它就好像是在逆時針地旋轉。

如果中微子總是以光速運動，無論投入多少能力，都永遠無法超越。但是，如果中微子的靜止質量不為零，則應該可以使運動速度快於中微子。但是，無論這種中微子在你的前方還是後方，所觀察到的角動量必須是左旋，這意味著必須一直在逆時針方向上。

左旋中微子和右旋反中微子

這是一個使人著迷的悖論，似乎表明只需改變相對於中微子的運動就可以將物質粒子（中微子）轉變為反物質粒子（反中微子）。另外，也可能確實有右旋中微子和左旋中微子，而由於某種原因至今從未見過它們。這是有關中微子的最大的未解之謎，但是，如果能夠檢測到與光速相比速度較慢的低能中微子，則將解決這個問題。

實際上無法做到這一點。所檢測到的能量最低的中微子具有如此高的能量，其速度必須至少為光速的99.99999999995％。即使在宇宙距離上，當觀察到來自銀河系以外的星系的中微子時，也發現中微子的速度和光速之間沒有區別。

具有能量分布的兩個中微子和無中微子雙β衰變圖

儘管存在相當難度，但仍然有可能解決這個誘人的悖論。可能有一個不穩定的原子核，它不僅會經歷β衰變，而且會發生雙重β衰變：原子核中的兩個中子同時發生β衰變。觀察這樣一個過程：原子核將其原子序數改變2，發出2個電子，並且能量和動量都丟失，相當於發出了2個（反）中微子。

但是，如果僅通過更改參照系就可以將中微子轉變為反中微子，那意味著中微子是一種特殊的新型粒子，迄今為止僅在理論上存在的馬約拉那費米子。假設這意味著一個原子核發出的反中微子可以被另一個原子核吸收（作為中微子），並且將能夠衰減到：原子核的原子數改變了2，發射了兩個電子，但沒有中微子或反中微子發射。

目前正在進行幾個這樣的實驗，其中包括馬約拉那實驗（MAJORANA experiment），專門針對這種無中微子雙β衰變。如果觀察到它，將從根本上改變我們對難以捉摸的中微子的認知。

尋找無中微子雙β衰變的馬約拉那實驗

但就目前的技術而言，可以通過它們的相互作用檢測到的唯一中微子（和反中微子）的移動速度與光速無法區分。中微子可能具有質量，但其質量如此之小，只有宇宙大爆炸本身製造的中微子才會緩慢移動，這些中微子可能是我們銀河系中不可避免的一部分，但我們無法直接檢測到它們。

從理論上講，中微子完全可以比光速慢的速度傳播。存在兩個問題：1. 慢速運動的中微子相互作用的概率非常低；2. 所發生的相互作用的能量非常低，以至於我們目前無法檢測到它們。

目前我們所看到的唯一的中微子相互作用，是中微子以難以區分的接近光速運動的相互作用。在出現革命性的新技術或實驗技術之前，情況都會如此。

#中微子#