粒子物理13︱标准模型为什么说中微子没有质量？中微子振荡是啥？

先跟我做一个动作，伸出你的左手，再伸出你的大拇指，然后四指弯曲！这不是安培定制吗？不是的，安培定则是右手，我们现在用的是左手。

现在左手大拇指的方向就代表的是粒子的运动方向，四指的弯曲方向就代表了粒子的自旋方向，假如你现在朝着一个粒子的运动方向看，如果你发现这个粒子是在逆时针旋转，那在你看来这个粒子就是一个左旋粒子，它满足左手性。

同样的，有左旋当然也有右旋，如果你朝着粒子的运动看到，粒子是顺时针旋转的，那么这个粒子在你看来就是一个右旋粒子，它满足右手性。

好，那我要问大家一个问题了，你说，左旋粒子和右旋粒子是不是绝对的？也就是说，它永远在都是左旋和右旋的？

你想一下？并不是的，如果现在有一个粒子在往前飞，你在后面朝着它的运动方向看，你发现它是一个左旋粒子，然后你加快速度去追它，等你追上它的时候，你再回头看它，你就会发现这个粒子相对于你来说正在往后走，这可以理解吧，运动是相对的嘛，你在开车的时候，如果你刚超了一辆车，你就会看到，它是在往后走的。

所以这时你在看这个粒子的话，它就变成了右旋，所以说左旋和右旋是相对的，那对于电子来说，它既可以有左旋，也可以有右旋，正电子也一样，它也可以左旋，也可以右旋。

对吧，不过这只是一般情况，假如说有一个粒子的运动速度，是你没有办法超越的，这又当如何？那就说明我们刚才说的那个相对性不适用这个粒子，如果你看到它是左旋，那它永远都是左旋，你看到它是右旋，那它永远都是右旋，不会因为观察者的改变而改变。

那有没有这种粒子呢？你猜一下！肯定有，就是光子，因为它以光速在运动，宇宙中没有东西可以超越光速，所以说，如果你看到一个光子是左旋，那它一直都是左旋，右旋一直都是右旋。

那掌握了以上的知识，我们就可以做如下推论了，如果我们现在看到一种粒子，发现这种粒子都是左旋，没有发现有右旋的粒子，那这是不是就意味着我们从速度上无法超越这个粒子，那就说明它在以光速运动？这个推论完全没有问题，这不，我们就发现了一个费米子，它总是左旋，没有右旋。

由于有中微子参与的弱相互作用的宇称不守恒，这是杨振宁和李政道提出来的，后来吴健雄通过实验证明了以上的想法，我们后面会专门用一期视频说这个问题，这里就简单的提一下。

那么实验结果就表明，当然也包括我们以后的观察都发现，中微子都是左旋，没有右旋中微子，而反中微子都是右旋，没有左旋反中微子，所以我们认为中微子在以光速运动，当然也包括反中微子，从这一点可以看出中微子应该没有质量。

那问题是，在标准模型中，中微子是不是也无法获得质量？答案是肯定的，我们知道所有的粒子获得质量的方式都是通过与希格斯场耦合获得的，可以简单的认为这些粒子在于希格斯粒子的碰撞中获得了质量，希格斯机制我们在后面也会详细地讲到，今天只是简单的提下，不影响理解后面的内容。

但问题是中微子为什么不能通过希格斯机制获得质量呢？这个问题当然很复杂了，简单来说就是，一个粒子想要获得质量，它就必须与希格斯场耦合，那要想与希格斯场耦合，就必须有左旋的波函数和右旋的波函数，但是我们发现中微子只有左旋，少了右旋，所以这个耦合就没办法正常进行，因此中微子没办法通过希格斯机制获得质量。

到这里一切都没有问题，中微子的左旋和标准模型显得非常的融洽，它就是没有质量，但是到了1998年的时候，一个重大的实验结果就彻底了撼动了标准模型的根基。

因为我们发现了中微子有质量，这就是所谓的中微子振荡，这个实验基本上都是由日本人完成的，那日本也因为中微子拿个好几个诺奖。

原因是它们当时有设备，在日本岐阜县的神冈矿山中有一个超级神冈探测器，这个设备在地下1000米地方，这是为了排除其他辐射和粒子的干扰；

这个设备的高度大约是40米，跟一栋十层楼的高度差不多，里面装有5万吨纯水，而且在神冈探测器的墙壁上装有11200个光电倍增管，每个直径大约是50厘米，看起来像一个大灯泡一样，这东西是为了检测中微子与水发生反应以后，释放出来的切伦科夫辐射。

利用这个设备，我们先检测的是大气中微子，大气中微子说的是在地球高层大气产生的中微子，那大气是如何产生中微子的？

我们知道在地球的太空中，有来自四面八方的宇宙线在不断地轰击着地球的高层大气，如果这些高能宇宙线与大气中的氮、氧分子发生碰撞以后，就会产生级联反应，就跟粒子对撞机一样，可以生成一些新的粒子，其中就包括中微子。

身处

这些中微子穿过地表就会达到超级神冈探测器，然后被捕捉到。由于中微子的穿透能力很强，所以我们也会认为超级神冈探测器不仅会检测到来自北半球的中微子，也就是来自日本上空的中微子，也能够检测到来自南半球，也就是地球的另一边产生的中微子。

而且，根据上下对称的要求，我们会认为检测到的来自南半球和北半球的中微子的数量应该是一致，这就是我们的理论推测。

起初的实验结果很符合预期，我们在检测电子中微子的时候发现，上下确实是对称的。但是当我们检测缪子中微子的时候，问题就出现了，来自日本上空的缪子中微子的数量是来自南半球的缪子中微子数量的2倍。

很明显这不符合上下对称的要求，这说明南半球有一半的中微子丢失了。最后我们才发现，这些缪子中微子并没有丢，而是变成陶子中微子。

也就是说，在地球背面产生的缪子中微子在横穿地球的时候，它会先变成陶子中微子，然后又变回缪子中微子，又变到陶子中微子，就这样来回的转换，我们把这种转换就称为中微子振荡。

由于超级神冈探测器只检测了缪子中微子，所以发现有一半中微子丢了。这是最早发现中微子有质量的实验证据，那为什么中微子振荡就意味着中微子有质量？这个先不着急，我后面会解释。

下面我们在简单说下，另外一个实验，叫太阳中微子之谜，我们知道太阳发光就是核聚变反应，四个质子聚变成氦原子核，这是质子链反应。

在这个反应中两个质子要变成两个中子，上节课我们说了，质子要变成中子的话，要经历β+衰变，然后释放出一个正电子和一个电子中微子。

根据太阳的核反应我们大致能估算出太阳每秒要放出多少个电子中微子，那最后我们就发现太阳释放出来的电子中微子是理论估计值的1/3，这就说明有2/3的电子中微子不知道去了哪里？

同样的结果，我们发现，是电子中微子在飞行的过程中，不停地在变换味道，一会变成缪子中微子，一会变成陶子中微子。

就跟冰淇淋一样，电子中微子本来是草莓味的，一会变成了巧克力味，一会又变成了芒果味的，但是我们的探测器只吃草莓味的冰淇凌，所以就只检测到了1/3的中微子。

这个实验结果也说明中微子具有质量。好，下面我说下，为什么中微子振荡意味着中微子有质量？

当然这个原理其实挺复杂的，我说一个我看过的最简单，最容易理解的一种说法，那爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，速度越快，时间越慢，当一个粒子的速度达到光速的话，那它就没有时间的概念了，也感觉不到时间了，那时间的流逝对它就完全没有作用了。

如果中微子以光速在运动，那它就感受不到时间，所以不会因为时间的流逝变成其他的中微子，但实验结果发现它随时间的流逝，在不停的改变味道，这就说明它的性质受到了时间的左右，所以它不是在以光速运动的，所以它有质量，这个好理解吧。

很显然，中微子具有质量是标准模型万万没有想到的，现在我们依然没有对它的质量做出解释，这已经超出了标准模型的理论范畴。

而且有一点特别的奇怪，你说中微子有质量，但是它的质量之轻也是你无法理解的，虽然我们现在没有准确地测出中微子的质量是多少？但也给出它的质量上限，不及电子的百万分之一，如此之轻显得很不正常，尤其是和其他粒子的质量显得格格不入。

所以中微子可能有其他获得质量方式，但这不是希格斯机制所能解释的，如果谁能解决这个问题，那肯定会是21世纪最伟大的科学家了。

不过，关于中微子质量的问题，我们还是在标准模型的范畴内给出一个可能的解释，并且引入了一个极重的右旋中微子。

这就是日本物理学家柳田勉提出来的“跷跷板机制”，在跷跷板的一侧左旋中微子极轻，在另外一侧右旋中微子极重。

我们之所以没有见过右旋中微子，就是因为它的质量太重了，在目前的低能环境下无法产生这样的粒子，那根据计算右旋中微子的质量要比最重的基本粒子顶夸克重13个数量级。

所以这种粒子根本不可能现身。那么引入极重的右旋中微子就可以解释左旋中微子的质量之谜了。

上面我们说了，左旋中微子不会和希格斯粒子发生碰撞，因为缺少了右旋，所以它应该没有质量，但是实际情况是左旋中微子人家有质量，这就说明它实际上与希格斯粒子确实是发生了碰撞，这也就说明了右旋中微子在一瞬间是存在的，只不过我们看不到它。

所以可能的过程是这样的，左旋中微子它本来没有质量，它想获得质量就必须有右旋中微子的存在，但是右旋中微子又很重产生不了，这咋办？

左旋中微子就想到了一个办法，当他遇到希格斯粒子的时候，在极短的时间内会从真空中借一些能量，产生一个虚的右旋中微子。

希格斯粒子一看，左旋、右旋都有，它就赋予了左旋中微子质量，但是左旋中微子从真空中借取的能量很快就要还给真空，这个时间特别的短，因为根据不确定性原理，时间越短能量的不确定性就越大，左旋中微子借了那么多能量，肯定归还的期限就很短。

所以右旋中微子很快就消失，等希格斯玻色子反应过来的时候，左旋中微子就已经从它那里骗来了一点点质量，因为左旋中微子被赋予质量的时间很短很短，所以左旋中微子有极小的质量，看起来非常不正常。

以上的内容都是猜测，并没有得到实验的验证。好了那今天关于中微子的质量问题就说到这里，下节课我们说汤川秀树的Π介子和缪子的发现过程。