我们身边为何充满了中微子？它有质量为啥感觉不到？

“每当我们遇到困难时，我们都应该感谢大自然，因为这意味着我们即将学到一些重要的东西。”-明尧它不存在的性质为它赢得了“幽灵粒子”的称号。在核反应中首次发现中微子后，人们一直认为它们是零质量粒子。微米振荡问题预示着标准模型预测中的错误。今天我们就来说说什么是中微子振荡？为什么说中微子有质量呢？

当然，它始于我们头顶的太阳

当我们仰望天空中那个赋予生命的热等离子体球时，您可能想知道是什么驱动了太阳。

在19世纪后期，我们所知道的基本力是引力和电磁力，而对核力的了解还很薄弱。放射性现象和核嬗变刚刚被发现，因此试图解释为什么太阳如此强烈地发光并持续如此长时间的尝试完全基于不充分的假设。

当时对太阳寿命的最佳估计来自开尔文勋爵，他认为唯一能让太阳在很长一段时间内释放出如此巨大能量的力量就是引力。引力收缩可以让太阳在1000万年的时间尺度上提供巨大的能量输出。然而，鉴于生物学家或地质学家知道地球上丰富的化石或岩石等地物的年龄，并发现这个估计的太阳年龄严重不足，可以肯定地说太阳一定不会年轻于地球！

在宇宙中，确实存在着一些受开尔文-亥姆霍兹机制驱动，通过引力收缩释放能量的天体：白矮星。但这些并不代表我们太阳系中心的恒星。

直到20世纪，当人们发现质量可以通过核反应等过程转化为能量时，我们才对太阳（和星星）燃烧了这么久有了一个合理的解释。通过核聚变的过程，轻元素（如氢）转化为重元素（如氦），在这个过程中释放出大量的能量！

SiriusA(L)是一颗正在进行核聚变的恒星；天狼星B(R)是一颗正在经历开尔文-亥姆霍兹收缩的白矮星。

太阳核聚变释放电子中微子

在其45亿年的生命周期中，太阳通过E=mc^2将近10^29公斤的氢转化为氦，从而将一个土星的质量转化为化为纯粹的能量。尽管了解太阳一直是一个艰难的过程，但我们认为我们现在对核物理学的工作原理有了很好的了解。

在大约400万开尔文的温度下，所有原子都被电离，只要能量足够高，恒星核心中的两个质子就可以克服它们之间的静电斥力，使它们足够靠近，从而有可能发生聚变在一起。多亏了量子力学，粒子的波函数可以重叠得足够好，以至于两个粒子可以结合到一个更重的状态。双质子然后经历β+衰变产生氘，氘由键合在一起的质子和中子组成。

氘比两个氢稍轻，在β+衰变过程中会产生另外两个粒子：一个正电子，用于保存电荷；一个电子中微子，用于保存轻子数。

这两个氘可以通过连锁反应融合在一起形成氦3和氦4，这是地球（和恒星）中最常见的氦同位素。简而言之，这个过程就是四个氢原子聚变产生一个氦原子、两个正电子和两个电子中微子。虽然通过E=mc^2的核聚变反应释放的能量（以及与电子一起湮灭以产生更多高能光子的正电子）是恒星的能量来源，但中微子本身会逃离太阳。其中一些将到达地球。这就是问题的开始。

太阳中微子消失之谜

在1950年代，我们首先从核反应堆中检测到中微子（及其反物质对应物：反中微子）。当发现中微子确实存在，并且它们携带大量能量时，我们了解到两个重要的事情：

中微子的横截面，或者它与普通物质相互作用的频率，这两者都是与能量相关且非常小，可以测量，并且

如果我们为中微子建造一个探测器，并且知道它们的通量和能量，我们应该能够准确地预测相互作用率。

好像是一场完美的风暴！我们知道太阳的物理学以及核反应是如何发生的。我们知道中微子，它们的横截面是多少，以及横截面是能量的函数。我们甚至相信我们有一个关于太阳内部及其中微子产生特性的良好模型。

在1960年代，当人们第一次测量来自太阳的中微子流时，他们只检测到理论预期中微子的三分之一，那么其余的去哪儿了？许多疯狂的猜测已经被抛出，包括一些非常合理的想法：

也许关于太阳内部的模型是错误的，中微子流出现的能量与我们正在寻找的能量不同。

也许我们对中微子检测的理解，以及反应截面如何随能量变化，与现实有所不同。

或者，在中微子的情况下，可能会有一些新的物理学。

不过，随着我们对高能物理认识的提高，尤其是对恒星和太阳的认识，以及对中微子及其性质和检测的认识，似乎确实需要一些新的物理学来解决这个问题。我们开始建造非常大的中微子观测站，但同样的问题（只有三分之一来自太阳的中微子到达我们的探测器）仍然存在。

太阳中微子振荡

你看，中微子是标准模型中相互作用最弱的粒子之一。它们很稳定，仅通过弱力相互作用，不带电荷，也不散射光。长期以来，中微子被认为质量为零。

如果我们看标准模型，中微子不只有一种。

正如带电轻子有电子、μ子和τ三种类型，中微子也有三种类型：电子中微子、μ中微子和τ中微子。如果中微子彼此完全不同并且完全没有质量，那么你将生为电子中微子，死时也为电子中微子，永远不会变成其他任何东西。

如果中微子有质量，那么它们就有可能与太阳中的物质（尤其是电子）相互作用，从电子到介子再到陶子再变回味道。

就像光在穿过介质时发生折射一样，光会根据波长和光在介质中的不同速度发生弯曲，中微子在介质中的行为就好像它们的质量取决于介质的密度一样。太阳的电子密度在离开太阳核心时会迅速变化，这种效应称为太阳中微子振荡，会导致中微子味道发生变化。尽管中微子最初都是太阳内部的电子中微子，但当它们到达光球层时，三种类型的中微子混合得很好，其中大约三分之一是电子中微子，三分之一是μ中微子，三分之一是tau中微子中微子。

总结：中微子质量预示着新物理学

直到21世纪初，萨德伯里中微子天文台（上图）通过散射效应测量了来自太阳的中微子总通量，还测量了来自太阳的电子中微子通量，并确定了34%的中微子是电子中微子，其余三分之二分为两类。随后对大气中微子的测量让我们对中微子振荡有了更深入的了解，这些难以捉摸的粒子在穿越太空时从一种类型转换为另一种类型的能力证明了这一标准。存在于模型之外。

为什么中微子有质量？存在什么新的基本粒子使这一切成为可能？这些是新的圣杯问题：真正将粒子物理学带入第三个千年，并最终超越标准模型的问题。