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？

先跟我做个动作，左手伸出，再伸出大拇指，再弯曲四指！这不是安培习俗吗？不，安培定律是针对右手的，我们现在用的是左手。

现在左手大拇指方向代表粒子运动方向，四指弯曲方向代表粒子自旋方向。如果你看一个粒子的运动方向，如果你发现这个粒子是逆时针旋转的话，那么在你看来，这个粒子是左手粒子，它满足左手性。

同理，有左撇子，也有右撇子。如果你看粒子的运动，看到粒子是顺时针旋转的，那么这个粒子在你看来就是右手粒子，它满足右手性。

好，那我想问你一个问题，你说，左手粒子和右手粒子是绝对的吗？也就是说，总是左撇子和右撇子？

想一想？不是，如果现在有一个粒子向前飞，你从后面看它的运动方向，发现是左手粒子，你就加快速度去追它。当你追上它的时候，你回头看它，你会发现这个粒子相对于你在倒退。这是可以理解的，因为运动是相对的。看，它在倒退。

所以这时候你看这个粒子，它变成了右手，所以左手和右手是相对的，所以对于电子来说，它可以既有左手也有右手，正的是一样的电子也是如此，它也可以是左手或右手的。

对，但这只是一般情况。如果有一个粒子的速度是你无法超越的，那又怎样？也就是说，我们刚刚提到的相对论不适用于这个粒子。如果你看到它是左撇子，它就永远是左撇子，如果你看到它是右撇子，那么它就永远是右撇子。人的变化是变化的。

有这样的粒子吗？猜测！一定有光子，因为它是以光速运动的，宇宙中没有任何东西可以超过光速。因此，如果你看到一个左手的光子，它总是左手的，而右手的总是右手的。

掌握了以上知识后，我们可以做出以下推论。如果我们现在看到一个粒子，发现这个粒子是左手粒子，而没有发现右手粒子，是不是说明我们在速度上无法超过这个粒子，那么就说明它在以光速运动？这个扣是完全没有问题的。不，我们发现了一个费米子，它总是左手的，从不右手的。

由于中微子弱相互作用的宇称不守恒，这是杨振宁和李政道提出的。后来，吴健雄通过实验证明了上述想法。这个问题我们后面会用视频讲，这里简单提一下。

那么实验结果表明，当然包括我们后来的观察，所有的中微子都是左手的，没有右手的中微子，而反中微子都是右手的，没有左手的反中微子，所以我们认为中微子是以光速运动的，当然反中微子也包括在内。从这一点，我们可以看出中微子应该没有质量。

问题是，在标准模型中，中微子是否也无法获得质量？答案是肯定的，我们知道所有粒子都是通过与希格斯场耦合获得质量的。可以简单地认为这些粒子在希格斯粒子的碰撞中获得了质量。我们有的希格斯机制后面会详细讲，今天只是简单提一下，不影响后面内容的理解。

但问题是，为什么中微子不能通过希格斯机制获得质量呢？这个问题当然很复杂。简单来说，如果一个粒子想要获得质量，就必须与希格斯场耦合。如果要与希格斯场耦合，就必须有一个左手波函数和一个右手波函数。波函数，但是我们发现中微子只有左旋性，右旋性较少，所以这种耦合不能正常进行，所以中微子不能通过希格斯机制获得质量。这里没有问题，左手中微子和标准模型看起来很和谐，只是没有质量而已，但是在1998年，一个重大的实验结果彻底动摇了标准模型的根基。

因为我们发现中微子是有质量的，这就是所谓的中微子振荡，这个实验基本都是日本人做的，日本拿过几次中微子诺贝尔奖。

原因是当时他们有设备。日本岐阜县的神冈矿山曾有一台超级神冈探测器。该设备位于地下1000米处，以消除其他辐射和粒子的干扰；

这台设备的高度大约是40米，大约是十层楼的高度。其中装有5万吨纯水，神冈探测器壁上安装了11200根光电倍增管，每根直径约50厘米，看起来像个大灯泡，这个东西是检测中微子与水反应后释放的切伦科夫辐射。

使用这个设备，我们首先检测大气中微子。大气中微子是指在地球高层大气中产生的中微子。大气层如何产生中微子？

我们知道，在地球所在的太空中，来自四面八方的宇宙射线不断地轰击着地球的高层大气。如果这些高能宇宙射线与大气中的氮、氧分子发生碰撞，就会产生联合反应，就像粒子对撞机一样，可以产生一些新的粒子，包括中微子。

这些中微子穿过表面，然后到达超级神冈探测器，并在那里被捕获。由于中微子穿透能力强，我们也认为超级神冈探测器不仅能探测到北半球的中微子，即日本上空的中微子，还能探测到南半球的中微子。这些是在地球的另一边产生的中微子。

另外，根据上下对称的要求，我们认为南半球和北半球探测到的中微子数量应该是一样的，这是我们的理论推测。

初步的实验结果符合预期。当我们探测电子中微子时，我们发现上下确实是对称的。但是，当我们检测到μ中微子时，问题就出现了，这种中微子在日本各地的数量是南半球的两倍。

显然这不符合上下对称的要求，也就是说南半球有一半的中微子丢失了。最后，我们发现这些μ中微子并没有丢失，而是变成了陶中微子。

也就是说地球背面产生的μ子中微子穿越地球的时候，会先变成tau中微子，然后又变回μ子中微子，然后又变成tau中微子，就是这样的来回转换，我们称这种转换为中微子振荡。

由于超级神冈探测器只探测到μ介子中微子，结果发现一半的中微子都不见了。这是中微子有质量的最早实验证据，那么为什么中微子振荡就意味着中微子有质量呢？这个不用担心，我稍后会解释。

简单说说另一个实验，叫做太阳中微子之谜。我们知道太阳的光是核聚变反应。四个质子融合成氦核。这是一个质子链反应。在这个反应中，两个质子会变成两个中子。上节课我们说过，质子要变成中子，需要经过β+衰变，然后释放出一个正电子和一个电子中子子。

根据太阳的核反应，我们可以大致估算出太阳每秒会释放出多少个电子中微子，最后我们发现太阳释放出的电子中微子是理论估算值的1/3，也就是说那有2/3的电子中微子不知道去了哪里？

同样的结果，我们发现电子中微子在飞行过程中不断变味，一会儿变成μ介子中微子，一会儿又变成tau中微子。

就像冰淇淋一样，电子中微子本来是草莓味的，后来变成巧克力味的，再变成芒果味的，但我们的探测器只吃草莓味的冰淇淋。所以只有1/3的中微子被检测到。

这个实验结果也说明中微子是有质量的。好吧，接下来我来说说，为什么说中微子振荡就意味着中微子有质量呢？

当然，这个原理其实挺复杂的。我会说我见过的最简单易懂的说法。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，速度越快，时间越慢。当一个粒子如果人体的运动速度达到光速，那么它就没有时间概念了，它也感受不到时间，时间的流逝对它也没有任何影响。

如果一个中微子以光速运动，它是感受不到时间的，所以它不会因为时间的流逝而变成其他的中微子，但是实验结果表明它是随着时间的流逝而不断变化的味道，这意味着它的性质是受时间影响的，所以它不是以光速运动的，所以它是有质量的，这个很好理解。很明显，中微子有标准模型没有预料到的质量，我们至今还没有解释它的质量，这超出了标准模型的理论范围。

还有一个很奇怪的地方，你说中微子有质量，但是它的轻是你无法理解的，虽然我们现在还没有准确测量中微子的质量？但它也给出了质量的上限，小于电子的百万分之一。这么轻是非常不正常的，尤其是当它与其他粒子的质量格格不入的时候。

所以中微子可能有其他途径获得质量，但这不是希格斯机制所能解释的。如果谁能解决这个问题，那他一定是21世纪最伟大的科学家。

但是，关于中微子质量的问题，我们还是在标准模型范围内给出了可能的解释，引入了一个极重的右手中微子。

这就是日本物理学家柳田勉提出的“跷跷板机制”。在跷跷板的一侧，左手中微子非常轻，而在另一侧，右手中微子非常重。

我们之所以没有看到右手性中微子，是因为它的质量太重，在目前的低能环境下无法产生这样的粒子。据计算，右旋中微子的质量比最重的基本粒子顶夸克重13个数量级。

所以这种粒子是不可能出现的。那么极重的右手中微子的引入就可以解释左手中微子质量之谜。

我们上面说了左旋中微子不会和希格斯粒子碰撞，因为它缺少右旋中微子，所以应该没有质量，但是实际情况是左旋中微子是有质量的，这意味着它实际上确实发生了与希格斯粒子的碰撞，这也说明了右旋中微子在瞬间是存在的，只是我们看不到而已。

所以可能的过程是这样的。左手中微子没有质量。如果他们想获得质量，右手中微子必须存在，但右手中微子太重而无法产生。我应该怎么办？？

左手中微子想到了办法。当他遇到希格斯粒子时，他会在很短的时间内从真空中借用一些能量，产生一个虚拟的右手中微子。

希格斯粒子既可以看到左手也可以看到右手，它赋予了左手中微子质量，但是左手中微子从真空中借来的能量很快就会回到真空中，这个时间特别短，因为根据不确定性原理，时间越短，能量的不确定性越大，左手中微子借了那么多能量，确定返回的时限很短。

所以右手中微子消失得很快，而希格斯玻色子反应的时候，左手中微子已经从它身上骗走了一点质量，因为左手中微子被赋予质量的时间很短，所以左手-手性中微子质量极小，看起来很不正常。

以上内容为推测，未经实验验证。好吧，这就是今天关于中微子质量的全部内容。下一节课，我们会讲到汤川秀树的π介子和介子的发现过程。