中微子(下) 作者: 取材自“新發現”雜誌

“我做了一件可怕的事情。我假定了一種探測不到的粒子。”1930年, 沃爾夫冈‧泡利(Wolfgang Pauli)這樣說道。當時他在萬般無奈之下, 提出了中微子的假設。這是一種神秘的粒子,據稱不會與當時了解的任何其他物質粒子相互作用, 並且據信能夠挽救那神聖不可侵犯的能量守恒定律。這是一個大膽的靈感,但完全正確,因為這一幽靈粒子的存在將25年之後得到最終証實。

這個故事已經成為一段傳奇,因為人們意識到, 正是由於物理學家勇敢地設想了這種貎似無法偵測的粒子, 才得以發現了粒子世界中的第三種基本相互作用――弱相互作用力,而反過來, 弱相互作用力的發現又促成了中微子的發現。我們還能再次譜寫這樣美麗的故事嗎? 今天的物理學家希望再次得到幸運女神的眷顧,所以設想了一種同樣看似無法偵測的粒子:惰性中微子。

的確, 這些理論物理學家就像他們的傑出先輩一樣,為這樣一種粒子痴狂。從理論上說,這種粒子不會和任何其他已知的物質實體發生相互作用――這一次, 粒子物理學中的三種基本相互作用都被包括在內, 而不僅是泡利時代的兩種。它與我們這個現實世界的唯一聯系, 僅在於它的質量不為零, 這使得它對引力的敏感。只不過由於引力的作用在粒子層面極其微弱,所以如果惰性中微子真的存在,就能輕鬆地穿透一切物質而不留任何痕跡。

隱形的救星 對於從事實驗科學的物理學家來說,假定這樣一種幽靈粒子的存在,無疑又是“一件可怕的事情”。推出這樣一個看不見摸不着的神秘客, 就可以把一切誤差, 以及一切奇跡都推到它身上。當然,最早向這個隱形救星求援的, 是基本粒子的專家們。他們第一次提及它的存在, 是為了應付有關中微子質量的難題。因為根據標準模型的規定,泡利“創造”的這些粒子和光子一樣, 是沒有質量的。事實上,根據這種理論的規則,物質基粒子擁有質量的前提, 是存在着具備兩種不同“螺旋態”粒子。“螺旋態”是粒子的內在特徵, 類似一種旋轉狀態,一種“向左”,一種“向右”。

然而,自從20世紀50年代中期以來, 所有的實驗都証明中微子僅存在左螺旋態。這樣一來, 就說明賦予中微子質量的數學表達式是不完整的, 其質量不存在, 其值應該為零。不過, 15年以來, 人們發現事實並非如此: 標準中微子其實是有質量的,雖然很小, 但決不是零(在三種標準中微子中, 最重的中微子質量至少達到電子的千萬分之一,而電子是其他粒子中質量最小的)。但是, 要如何才能超越標準模型的限制, 為中微子賦予質量呢?

自20世紀70年代開始,理論物理學家就設想存在着一種右螺旋態的中微子,這樣就能夠為中微子的質量方程增加一個項, 將其補充完整。然而,這種右螺旋中微子從來沒有被觀測到,這就說明它對包括弱相互作用力在內的三種基本相互作用均不敏感。換言之, 這種新型的中微子如果存在,必然是惰性的。於是, 我們的幽靈粒子終於披上了救星的外衣。

這種幽靈粒子幫助我們彌補了對物質認識的缺陷, 但與此同時, 也殘酷地揭示了我們對物質的認識局限。由於標準中微子的質量極其微小,理論物理學家不得不引入一種巨大的惰性中微子, 其質量達到10萬億電子伏特(TeV)級別。然而, 如此巨大的能量遠遠超出了標準模型的描述能力, 一旦使用標準模型的方法去描述那些能量在幾萬億電子伏特之上的基本現象, 這些方程就會崩潰。

對於現有的理論來說, 這些有望解決其他中微子質量問題的惰性中微子實在是太大了, 它們只有在一門與它們相稱的物理學中才能合理地存在。因此, 正如法國奧塞理論物理學實驗室的阿斯馬‧阿巴達(Asmaa Abada)所總結的那樣: “如果想要對標準模型範疇中的中微子質量問題作出解釋,就不得不引入一些與標準模型毫不相干的粒子。”

厘清宇宙之謎! 這些魔幻的粒子甚至可能在另一個層面帶來震撼。有些人從它們身上看到了對科學界最大的謎團作出解答的希望。那個謎不再是屬於微觀世界,而在於浩瀚的宇宙, 那就是宇宙質量缺失之謎。我們這個宇宙的85%都是由迄今仍未被發現的暗物質構成的, 而這種神秘的暗物質或許就是惰性中微子。還有些人則猜想, 惰性中微子可能要為我們宇宙中反物質的神奇消失負責, 因為這些粒子與構成我們的世界的粒子是對稱的,據信在宇宙起源之時它們的數量與後者相同。

經過了將近50年的思辨, 物理學家終於根據不同的需求和理論模型,像魔術師一樣從帽子裏掏出了一系列不同的中微子。用來解釋核反應堆中微子消失之謎的惰性中微子質量為1電子伏特的質量,是賦予中微子質量的惰性中微子的10 25‚倍……而用來破解宇宙難題或其他理論問題的惰性中微子也各具不同的質量。

但這些差異並不重要, 因為最終都要看實驗結果,而即將開始書寫的粒子物理學新篇完全可以根據需要把這些新成員都收錄進去, 哪怕它們是如此地不同。而正如的里雅斯特國際理論物理中心的葛蘭‧森雅諾維奇所指出的那樣, 這檥做還有一個好處: “一旦有一種惰性中微子得到証實, 就可以使這一構想整體變得可信。”

由此看來, 這是一種能夠解決許多問題的構想,是通向全新物理學的最佳途徑, 是一種可能帶來希望和革命的構想。總之,是一種充滿活力絶無惰性的構想。   暗物質可能由惰性中微子構成看不見,却具有質量――人們賦予惰性中微子的這種特性,使其成為了暗物質的完美候選人。暗物質是一種神秘的物質,據說佔宇宙物質總量的85%, 但其性質仍然不為人知。另外,難以捉摸的三種標準中微子也是宇宙中數量最多的粒子。

這種認為惰性中微子可能就是暗物質的觀點是芝加哥費米實驗室的斯科特‧道德爾森(Scott Dodelson) 與金斯頓皇后大學的勞倫斯‧維德羅(Lawrence Widrow)在1994年提出的, 近年來得到了瑞士洛桑聯邦理工學院的淺賀彥(Takehiko Asaka)以及米哈伊爾‧夏波什尼科夫 (Mikhail Shaposhnikov) 的補充。“我們的計算和觀測的局限都說明一種質量在2至50千電子伏特的惰性中微子可能是暗物質的成份。”米合伊爾‧夏波什尼科夫介紹道。如果這種說法成立, 那麼我們其實就是沐浴在一片惰性中微子的海洋之中, 因為每立方米的空間裏有數十萬個惰性中微子!

與此同時, 尋找暗物質其他候選人的研究似乎並不順利。直到目前, 對那種專門為了解釋宇宙缺失質量而假設的被稱為“wimps”的粒子的直接探測毫無進展: 同樣, LHC已經運行了兩年, 但在發現暗物質的另一類有力候選人超對稱粒子方面也一無所獲。“這為暗物質就是惰性中微子的設想提供了有力的支持。”法國里昂核物理研究所的薩沙‧戴維森(Sacha Davidson)評論道。

為確保這一點, 夏波什尼科夫等人的理論提供了一種可能性, 認為這些惰性中微子可能具有分裂的能力, 而這一進程主要產生的是光子。他詳細地解釋道:“在宇宙中暗物質集中的方向, 可能觀察到這種反應。比如在矮星系中, 它們所包含的暗物質應該比更大的星系要多; 或者在星系團中。”微觀世界中最縹緲無形的這種粒子竟然是構造整個宇宙的主力, 這可真夠顛覆的……

惰性中微子能夠解釋宇宙中反物質的缺失 如何解釋宇宙中反物質的缺失? 根據微觀物理學的方程, 在大爆炸之時, 物質與反物質是以相同的比例產生的。那麼, 在物質與反物質的原始粒子相撞湮滅的過程中, 一小部份物質何以能夠笑到了最後? 在東京大學的福來正孝 (Masataka Fukugita) 和柳田勉 (Tsutomu Yanagida), 以及洛桑聯邦理工學院的淺賀岳彥和米哈伊爾‧夏波什尼科夫看來, 答案就是惰惰中微子――是這種還處於假設之中的粒子使得天平發生了傾斜。

正如歐洲粒子物理研究中心理論部的馬可‧西萊利解釋的那樣: “如果假定存在着質量很大的惰性中微子, 那麼這些粒子就可以導致物質和反物質出現相當程度的不對稱, 從而可以解釋宇宙起源時物質與反物質之間的失衡。”大爆炸之后,惰性中微子與惰性反中微子立刻開始了相互轉換, 後者的裂變比比前者更高, 這樣一種不對稱就使得物質最終勝出。馬可‧西萊利認為: “這是解釋宇宙中反物質缺失的最具體的綫索。”缺失, 這恰恰是一種無法偵測的粒子存在的標誌…… 完