微中子 —— 激发新物理~中微子

仅有少数的物理学家能有幸為世界引入一种新的基本粒子。包立（Wolfgang Pauli）在1930年想到微中子这个概念时，内心的疑虑使他对此粒子有所保留。包立稍后告诉同事：「我做了件可怕的事，我假设有一种无法被侦测到的粒子存在。」

微中子确实难以捉摸，它如鬼魅般的本质，使它几乎不受阻碍地穿越物质，包括那些物理学家在粒子探测器中所使用的材料。事实上，大部份微中子可俐落地穿透地球而不碰触到其他粒子。不过包立的忧虑稍微夸张了些：微中子其实是可以被侦测到的，虽然需要花费极大的力气并设计精巧的实验才能成功。

微中子是最奇特的一种基本粒子：它们不能用来建构原子，也不会与其他物质作用；它们是唯一不带电荷的物质粒子；它们非常轻，质量不到电子这种次轻物质成份的百万分之一；此外，微中子还是所有粒子中最善变的，它们可在三种型态（或风味）间变换身分。

80多年来，这些微小粒子一直令物理学家感到惊讶。直至今日，一些关於微中子的根本问题仍悬而未决：微中子的风味真的只有三种，抑或更多呢？為何所有的微中子都如此轻？微中子的反物质是否就是它自己？為什麼微中子可以如此轻易变换身分？

针对这些问题所设计的新实验，正在世界各地的粒子对撞机、核反应器，甚至废弃的矿坑裡如火如荼地进行著。所获得的答案，应该能对大自然的内在运作方式提供基本线索。

微中子的奇异特性可做為一盏明灯，指引物理学家迈向大统一理论──该理论除了重力之外，所有的粒子与作用力，都可用条理一贯的数学架构描述。标準模型是目前关於粒子与作用力的最佳理论，但它无法含括微中子的所有复杂性质，因而亟需扩展论述。

质量轻却关係重大

在标準模型上扩充微中子的部份，最常用的方式是引入一种称為右旋微中子的新粒子。正如同电荷规范粒子的电性多寡一样，自旋决定了一个粒子能感受到弱核力，即造成放射性衰变的作用力；只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此，这些假设存在的右旋微中子，必然比那些已经被实验证实的左旋微中子更难以捉摸。所有的微中子都被归类為轻子（一群包含电子在内的粒子家族），这代表它们并不会感受到在原子核内把质子与中子紧箍在一起的强核力。由於不带电荷，微中子也不会受电磁力影响。如此一来，三种已知风味的微中子能感受到的只剩下重力与弱核力，但右旋微中子甚至不受弱核力影响。

如果右旋微中子真的存在，它将合理解释另一项微中子之谜：為何电子微中子、緲子微中子与τ微中子这三种左旋微中子的质量如此微小？

大多数基本粒子透过与无所不在的希格斯场作用，来获得它们的质量。去年，在瑞士日内瓦附近欧洲核子研究组织（CERN）大强子对撞机（LHC）工作的物理学家宣佈，他们已辨识出一种新粒子，其性质符合长期寻找的希格斯玻色子，希格斯便成了一个家喻户晓的名字。此玻色子是希格斯场所对应的粒子，就像光子是电磁场所对应的粒子一样。在此过程中，希格斯粒子会带走与其作用粒子之弱核力版本的电荷。由於右旋微中子缺乏这种电荷，它们的质量并不取决於希格斯场。取而代之的是，这些质量或许源自於一种发生於大统一时全然不同的极高能机制，造就右旋微中子成為超重粒子。

量子效应可连结右旋微中子与其左旋兄弟，使得其中一方将其巨大的质量「传染」（infect）给其他粒子。不过，这种传染力非常微弱：例如右旋微中子若得了肺炎，左旋微中子只会有轻微的咳嗽，这意味左旋粒子的质量将极微小，这关係称做翘翘板机制（seesaw mechanism），就像是右旋微中子与左旋微中子在翘翘板的两端，而质量较大的粒子会将质量较小的粒子抬起。

微中子质量的另一项解释来自於超对称，那是标準模型之外的新理论选项。在超对称的假设下，每个标準模型裡的粒子都拥有一个尚未被发现的伴子。这些称做超伴子的质量必定非常巨大，以至於到今天仍无法侦测到，而且它们至少会立即将基本粒子的数目加倍。假如超对称粒子真的存在，LHC或许能產生它们，并测量它们的性质。

超对称理论最吸引人的特色之一，是有一种称為中性伴子的超对称粒子，很适合用来解释暗物质（这些物质构成星系与星系团的大部份质量，能够施展重力但却不发光，也不会以其他明显的方式将自己显露出来。）不过，只有当中性伴子能长期稳定存在，而不是迅速衰变為其他粒子时，才能够做為暗物质。

因此，短命的中性伴子将会把研究人员送回黑板前重新构思，但可能对物理学家不无益处。中性伴子的稳定性取决於一种称為R–宇称的假设性质，它可防止超伴子衰变成任何普通的标準模型粒子。但是，如果R–宇称不存在，中性伴子将变得不稳定，而其衰变有一部份取决於中性伴子的质量。

我们其中两人（赫希和波洛德）与西班牙瓦伦西亚大学的维尔（JoséVale），以及葡萄牙里斯本技术大学的罗马欧（Jorge C. Rom?o）合作的研究显示，LHC可测试微中子与中性伴子的连结。如果中性伴子的稳定性确实取决於微中子，则从已知的微中子性质可预测中性伴子的寿命。碰巧的是，超对称粒子存在的时间长短，应足以让物理学家在LHC的侦测器裡追踪它们从產生到衰变的整个生命歷程。

自己是自己的反物质？

所有关於微中子微小质量的可能解释，皆指向未经探索的物理领域。但这些解释之一的翘翘板机制，更可能与「為何物质远多於反物质」的宇宙之谜有关。只有物质多於反物质时，宇宙结构才能形成，最终发展出生命。

标準模型裡的每个粒子，都拥有一个与其对应但带相反电荷的反物质粒子。例如电子的电荷是-1，而反电子又称為正子）所带电荷则是+1。当电子与正子碰撞时，它们的电荷互相抵消，这对粒子便湮灭而放出大量辐射。右旋微中子完全不带电的特性，可能有个重要的后果：这意味著对微中子而言，物质就等同於反物质。在物理学的专有名词中，电子与正子属於狄拉克（Dirac）粒子。另一方面，当粒子就是它本身所对应的反物质时，该粒子就是个马约拉那（Majorana）粒子。

若翘翘板理论精确反映出粒子世界的运作，则左旋微中子应同时传染到右旋微中子的质量与马约拉那特性。换言之，如果某些微中子是它们自身的反粒子，那麼所有的微中子都会具有这样的性质。

微中子就是它们自己的反粒子这件事，可能附有各种有趣的含意。例如：微中子可能会触发粒子与反粒子间的转换。在大部份的粒子反应裡，轻子数（或是轻子的数目减去反轻子的数目）是守恆的，即此数目不会改变。但微中子可能会违反这项规律，造成物质与反物质间的不平衡。对我们人类来说，这种不平衡的局面是件好事，因為如果在大霹靂之后，物质与反物质的数量相等，它们将完全互相毁灭，不留下任何东西，也就没有可供建构星系、行星与生命形式的材料了。长久以来，物理学家和宇宙学家一直找不到物质远多於反物质的解释。

上演失踪戏码

诱人却未最终确定的理论，并不必然会削弱微中子与它们的反粒子之间的连结。许多过去与现在的实验，试图透过寻找一种称為「核子双重β衰变」的辐射事件，来证实微中子究竟是否為它们自己的反粒子。

微中子与反微中子是在核子β衰变裡首次观测到的，在这种反应中，一个原子会射出一个电子，伴随一个反微中子。有些核子同位素可同时发生两次β衰变事件，在正常状况下射出两个电子与两个反微中子。但如果微中子是马约拉那粒子，则第一次衰变所射出的那颗反微中子会被第二次的衰变吸收。结果就是没有射出任何微中子或反微中子的双重β衰变（参见左页〈反物质揭密〉）。一剎那间，原本不存在轻子的地方，忽然浮现两颗轻子（电子），却未伴随原本应出现的反轻子（反微中子）。换言之，这种「无微中子双重β衰变」（neutrinoless double beta decay）违背了轻子数守恆的规律。

目前，对於一般违背轻子数守恆，与特别是对马约拉那微中子的最佳测试，就是寻找无微中子双重β衰变反应。原则上，无微中子双重β衰变的实验很简单：收集像锗76这样会同步发生β衰变的核子同位素，然后等待没有微中子伴随的两颗电子浮现。但实际上，这实验很难做。由於任何一种双重β衰变都是极稀有的事件，因此实验人员必须蒐集大量的锗，或其他种物质，才有希望能记录到各种无微中子事件。更糟糕的是，宇宙射线裡的次原子粒子像雨一般不断流入地球，可轻易盖掉来自双重β衰变的微弱讯号。因此，实验人员必须把侦测器深埋入地底下，或者废弃的矿坑，或是其他有岩石覆盖、可以几乎完全摒除宇宙射线的地下实验室。

不幸的是，在义大利的海德堡–莫斯科双重β衰变实验团队所报告的至今唯一一次无微中子双重β衰变事件，受到其他物理学家严厉的质疑。目前正在兴建或才刚开始收集数据的下一代侦测器，将会进行更周全的搜寻。在美国新墨西哥州一个称為「浓缩氙136观测器」（EXO-200）的实验，和另一个位於日本的神冈液态闪烁器反微中子侦测器–无微中子双重β衰变搜寻（KamLAND-Zen）的实验团队，最近公佈了他们搜寻无微中子双重β衰变的第一份数据，虽与稍早的报告有些出入，但并未明确地将它排除。

位在义大利的锗76侦测阵列（GERDA）实验於2011年上线，使用与海德堡–莫斯科实验相同的同位素於改良的装置上，目标是直接与其前身的争议性发现进行比较。EXO-200与KamLAND-Zen这两个实验目前仍持续运作，而一个称為偶发事件低温地底观测站（CUORE）的仪器计画於2014年在义大利开始收集数据。这些现正进行中的先进实验，為这10年内确认无微中子双重β衰变的存在，提供了一个合理的预期。

光的开关

寻找一种尚未被发现的微中子，或者证明微中子与反微中子是完全相同的粒子，都将為这些令人困惑不已的粒子增添一层全新的结构。但即使在我们物理学家探寻这些粒子的新面貌时，我们仍需努力解决它们如此善变特性背后的机制──那是一种已被清楚记录但仍不甚明瞭的微中子特性。在研究论文中，我们会说违反轻子风味或微中子混合的数量，比夸克（建构质子与中子的基本粒子）的风味混合量还多。

全世界有许多研究团队现正研究如何以新设想的大自然对称性（看似截然不同的力与粒子间的关键共同特性）来解释这样的行為。一个例子是考虑源自於已知粒子间互相转换的对称性。在印度加尔各答萨哈核物理研究所的巴塔卡亚（Gautam Bhattacharyya）与德国多特蒙德技术大学的雷瑟尔（Philipp Leser）和我们之一（帕斯），最近发现这种对称性会明显影响希格斯场。改变风味的夸克和微中子与希格斯场的交互作用，会藉由希格斯玻色子奇特的衰变產物显现出来，此应可在LHC裡观测到。这种讯号可指出微中子超活跃的改变活动背后的机制，也必然会是LHC最惊人的发现之一。

与此同时，另一类不同的实验想要确认粒子转换身分的频率。像日本的东海至神冈实验（T2K）、美国明尼苏达州的主注入器微中子振盪搜寻（MINOS）与义大利的微中子振盪感光追踪仪（OPERA）长距离的实验，侦测源自於数百公里外粒子加速器產生的微中子束，以测量微中子在穿越地球的长途旅程中风味的变化（参见第31页〈在飞行中变换身分〉）。由於这些实验的尺度都很大，微中子在旅途中会穿过州界、甚至国界。（2011年，由於义大利研究团队的物理学家宣称观测到实验裡的微中子似乎以超光速从CERN跑到义大利的地下实验室，使得OPERA成了热门新闻。不过，他们的测量很快便被证实是有瑕疵的。）相对於这些长距离的微中子实验，法国的双屈斯计画（Double Chooz project）、中国的大亚湾反应器微中子实验与南韩的微中子振盪反应器实验（RENO），皆测量来自核反应器的微中子短距离振盪。

一直到2012年，这些实验才终於确定了控制微中子风味转换的参数中，最后也是最小的一个混合角。待决定的最后一个混合角称做反应器角（reactor angle），它描述电子微中子或反微中子在短距离上的转换机率。反应器角的测量开啟了在未来微中子实验中，比较微中子与反微中子性质的可能性。粒子与其对应的反物质粒子间的不对称性称為CP违逆，研究CP违逆及无微中子双重β衰变，可能与為何我们宇宙裡物质多於反物质的秘密有关。

在目前进行中的实验中，T2K可能有极高的机会第一个看到CP违逆的证据。不过，这些新一代的实验势将竞相回答微中子的关键问题，情况必定精采热烈。美国目前正在兴建的长基线「主注入器离轴微中子束之电子微中子出现实验」（NOvA），也有能力发现微中子的CP违逆。NOvA将从伊利诺州巴达维亚的费米国家加速器实验室地底发射一束微中子，穿越威斯康辛州与苏必利尔湖一角，抵达810公里外位於明尼苏达州艾胥河的侦测器。微中子将会在三毫秒内走完整趟旅程。

NOvA的研究目标之一，是要釐清微中子质量等级的问题：确定哪一种微中子的质量最轻，哪一种最重。目前，物理学家只知道至少有两种微中子的质量不為零，但因这鬼魅般的粒子具有这麼多不同的性质，我们尚不清楚它们个别详细的质量。

难以解开的谜题

由於有这麼多正在进行的微中子实验，各自拥有不同的目标、不同的设计与不同的粒子来源，因此从世界各地所收集到的数据，有时会產生相互牴触的詮释。其中一个最惊人且有争议性的实验结果，暗示有一种称為惰性微中子的新粒子存在。

就像翘翘板机制裡质量大许多的右旋微中子，反映出包立在1930年时的恐惧一样，惰性微中子只能被间接侦测到。（不过，就理论而言，这两种假设的粒子是几乎互相排斥的。）虽然如此，有两个实验可能已捕获到一小撮惰性微中子。1990年代在美国洛沙拉摩斯国家实验室所执行的液态闪烁微中子探测器（LSND），发现了颇俱争议的早期证据，指出存在著一种尚未被侦测到的微中子风味转换型态：緲子反微中子变换成电子反微中子。费米实验室的迷你升能器微中子实验（MiniBooNE）於2007年开始產生科学数据，也暗示有这种转换存在。但是，LSND与MiniBooNE產生的微中子振盪，并不能简洁地符合标準的三种微中子情况。

只有当微中子具有质量，且不同风味的质量不同时，量子力学才允许微中子在不同风味之间振盪。不同的微中子质量引发微中子的变换，可以用来解释LSND与MiniBooNE的异常，但只有在我们已知的质量差之外，还存在著另一组质量差才行。换句话说，必须有四种而非三种微中子型态存在。由於惰性微中子与弱核力耦合时，会產生Z玻色子。弱核力的粒子会迅速衰变，故此粒子将完全不与弱核力作用，因此才会以「惰性」（sterile）命名。这种假设的微中子，几乎不和粒子家族裡的其他粒子来往。

另一类完全不同的侦测器可捕捉来自附近核反应器的微中子，也记录到可指出惰性微中子存在的意外结果。几个反应器实验的数据，显示了电子反微中子在极短的距离内异常地消失。这个结果若以微中子振盪来解释，将意味著惰性微中子的存在。我们观测到这异常现象已经有一段时日了，但最近重新计算来自各不同反应器的微中子输出结果，才更加巩固新粒子存在的可能性。

惰性微中子的证据仍不足够，并且粗略、间接且矛盾。这些证据对於追寻一个难以捉摸且可能并不存在的粒子而言，都是意料中的事。但MiniBooNE和一个正在费米实验室建造中的微升能器微中子实验（MicroBooNE），可能很快就能对此事提供更加明确的证据。此外，还有一批新的实验计画想研究反应器的异常现象，也正在讨论中。

值得注意的是，强大的LHC与针对不起眼的微中子所进行相对低能量的实验，提供了互补的路线来探索大自然的内在运作。在包立设想其「无法被侦测到的粒子」80多年之后，微中子持续紧守着自己的秘密。不过，解开这些秘密所得到的答案，将可证明数十年来努力深入窥探微中子的私生活，是极有价值的一件事。