放眼宇宙,在目前已經發現的所有粒子中,光子的數量是最多的,其次便是一種如同幽靈般的神秘粒子——中微子,它最具代表性的技能就是「穿牆術」。科學研究表明,中微子穿透物質的能力很強,它可以輕而易舉地穿過10億顆地球;地球附近中微子的密度很高,每秒鐘大約有1000萬億個中微子穿過人的身體,而人卻絲毫無法察覺。不僅人體無法感知中微子,就連精密的科學儀器也很難探測到它們,因為它們太小了,與物質的相互作用非常微弱,在穿透物體的時候甚至不會撞到任何一個原子。
中微子的質量到底有多小呢?科學家非常想知道,一方面,因為質量是一種粒子最基本的性質,另一方面,在目前已知的所有粒子當中,中微子的質量是最難測量的,如果能夠成功測量中微子的質量,或許有助於發現新的物理定律,還可以推算中微子在宇宙演化中扮演的角色。
1930年,粒子物理理論預言了中微子的存在,1956年,科學家第一次真正觀測到了中微子。然而,直到大約20年前,科學家才發現中微子是有質量的。於是又經過數代科學家的努力,2019年8月,一項研究發現,最輕的中微子的質量必然小於0.086電子伏特(eV)。2019年9月,研究人員通過德國的卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗,測量得到了中微子的質量不超過1.1eV,約為電子的質量的15萬分之一。
KATRIN實驗的結果比較可信,它的實驗原理很簡單。當氚核發生衰變時,會釋放出一個電子和一個中微子,電子的能量和質量都是可以測量的,所以可以推算出中微子的能量和質量。
中微子的質量為什麼這麼小呢?標準的物理學模型可以解釋各種基本粒子是如何獲得質量的,是通過與一種能量場——希格斯場相互作用。但是這種標準模型卻不適用於中微子,因為與其它粒子相比,中微子的質量實在是太輕了。至今為止,科學家還無法確定質量是如何分配成這麼小的一份的。
如果能弄清楚中微子是如何獲得質量的,或許可以解釋有關宇宙演化的一些現象,比如,為什麼宇宙中普通物質比較多,反物質比較少?為什麼大爆炸時會產生這麼多中微子?它們的集體引力對天體產生和運行有多大的影響?中微子是否還會衰變成質量更輕的未知粒子?這些更輕的未知粒子的速度更加接近光速,會不會造成它們無法聚集成物質?
結語
對於中微子這種神秘而古老的宇宙粒子的研究,或許會帶我們發現激動人心的未知世界。