（文/Robert Adler）“王冠下的腦袋總是難以安穩(wěn)，”莎士比亞的這句話，同樣可以送給今天粒子物理學的標準模型。這是迄今為止對物質(zhì)基元及其相互作用最為成功的描述。最近找到的非常類似希格斯玻色子的粒子，讓這個理論更加冠冕堂皇，因為這不僅證實了一個近40年之前的預言，而且填補了這個理論最后的空白。不過我們并未就此滿足，反倒更為迫切地希望將標準模型拉下馬來，去尋找那些最終必然超越它的嶄新物理篇章?！皹藴誓Ｐ途褪橇Ｗ游锢韺W，”諾貝爾獎得主杰克·施泰因貝格（Jack Steinberger）說，“但很多問題目前仍無望回答。”
這些問題包括暗物質(zhì)的本質(zhì)，即這種據(jù)信占據(jù)宇宙80%質(zhì)量的神秘不可見物質(zhì)究竟什么？然后還有暗能量，它被認為是宇宙加速膨脹的推手，而粒子物理學家將它的強度高估了10120倍，可謂錯得前無古人后無來者。標準模型還無法回答物質(zhì)如何逃脫大爆炸，如何將引力納入其中。不僅如此，它還備受所謂“自由參數(shù)”（free parameter）的困擾，這些數(shù)值不能由標準模型自身得到，必須人為放進模型中，而且數(shù)值也是任意確定的，比如對模型內(nèi)相互作用強度的設定就是如此。
消解這些難題需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表現(xiàn)得基本上中規(guī)中矩，也許通向標準模型之外的物理新世界的鑰匙并不在它身上，而藏身于另一種粒子：中微子。
2011年9月，中微子曾一度街知巷聞，當時深埋于意大利大薩索山山體下的OPERA實驗項目宣稱，測量出中微子的傳播速度超過光速，直接違背了愛因斯坦的狹義相對論。6個月之后，這個結(jié)果被證實源自實驗本身的一處差錯。即便鬧了烏龍，這些讓人著迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
中微子如幽靈一般，不但神秘而且孤僻，因為它們幾乎不與周圍的物質(zhì)世界發(fā)生相互作用。有關(guān)中微子的這些謎團都超出了標準模型的能力之外。我們目前知道3種中微子，它們看上去井井有條，分別和電子及電子的兩個更重的表親——μ子和τ子組成一對，構(gòu)成完整的輕子家族。但一開始，標準模型就錯誤地假設，中微子的質(zhì)量為0，而且直到今天都無法在模型框架內(nèi)確定中微子的質(zhì)量。因此，標準模型也沒能預見到中微子能在3種形態(tài)之間來回變化，更別說存在更多種中微子的可能性了。
很多新的理論希望填補這些缺陷，這其中包括大統(tǒng)一理論、超對稱和弦論。它們當中的某一個，或許解釋中微子為何如此奇異，從而拔得頭籌。反過來，中微子本身則會告訴我們，哪個理論才是眾望所歸。
盡管超然于世外，中微子在物理學史上一直有著救場粒子的美名。著名物理學家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）當初構(gòu)想出這些粒子，就是為了挽救β輻射中能量和動量的守恒。最近，中微子又在解釋宇宙中的物質(zhì)為何遠遠多于反物質(zhì)的努力中充當起了先鋒，用美國弗吉尼亞理工大學理論物理學家帕特里克·胡貝爾（Patrick Huber）的話來說，“中微子能讓你進入另一個世界，原因很簡單，它跟我們這個可見的世界幾乎沒有多大的相互作用”。
味道變換
標準模型對中微子描述的第一道裂縫，出現(xiàn)在16年前。在那之前，很多物理學家都跟隨標準模型，假設中微子沒有質(zhì)量。但是到了1998年，日本的超級神岡實驗證實情況并非如此。中微子總是偏愛和電子、μ子和τ子中的某一種一起被發(fā)射和吸收，就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此，它們也被相應地分成3種味（flavour）：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。超級神岡研究了來自不斷轟擊地球大氣層的宇宙線中的μ子中微子，發(fā)現(xiàn)它們能夠在穿透地球的過程中變身為電子中微子。其他一些實驗則對核反應堆、粒子加速器及太陽核衰變過程中產(chǎn)生的中微子進行了探測，同樣證實了這種現(xiàn)象的存在。無論中微子發(fā)射出來時屬于那一種，在傳播過程中都會變成什錦冰淇淋一樣的味道混合體，每個冰淇淋球都包含了所有的3種味道。按照量子力學，要想這種變換有可能發(fā)生，中微子必須具有質(zhì)量。實際上，我們現(xiàn)在認識到，每種味的中微子在傳播過程中都會變成一個周期變化的混合態(tài)，而且這3種混合態(tài)各不相同。
這就給我們出了個難題?！爸形⒆淤|(zhì)量告訴我們標準模型需要被拓展，但它沒有告訴我們?nèi)绾稳ネ卣?，”美國亞利桑那州立大學的理論物理學家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）說。與之相對，某些大統(tǒng)一理論，即那些希望更進一步統(tǒng)一除引力之外所有自然力的嘗試，確實預言了有質(zhì)量的中微子。因此，準確確定中微子的質(zhì)量，能幫助理論物理學家判斷，哪種理論值得追隨?！叭藗儗@些大統(tǒng)一理論已經(jīng)猜了幾十年，它們對粒子質(zhì)量各有各的解釋，”美國麻省理工學院的喬·福爾馬焦（Joe Formaggio）評論道，“但如果你弄出個理論來解釋質(zhì)量，總得有個實際質(zhì)量作為參照吧?！?/p>
測量一個能輕易穿透一光年厚鉛板的不可見粒子，這說起來容易做起來難。捕捉中微子是個耐心活，要用足夠大的探測器，還要盯足夠長的時間，直到那極其微小的相互作用概率終于顯現(xiàn)一次。用這樣的方法，我們已經(jīng)在兩個截然不同的尺度上追蹤到了中微子：亞原子世界和浩渺宇宙。70年前，恩里克·費米（Enrico Fermi）就預視到，可以通過測量β衰變來測量中微子的質(zhì)量。在一個典型的β衰變中，原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子，同時放射出一個電子和一個電子反中微子。盡管反中微子無法直接探測到，費米卻勾勒出一種方法，通過伴隨電子的能量和動量，推測出這個反中微子的質(zhì)量。但是，由于中微子的質(zhì)量實在太輕，直到目前，我們?nèi)詻]有達到所需的探測靈敏度。不過，德國卡爾斯魯厄理工學院正在搭建一臺名為KATRIN的極為靈敏的實驗裝置，有可能在未來幾年將第一個測出中微子質(zhì)量的榮譽攬入懷中。
與此同時，對中微子質(zhì)量的另一個嚴格限制來自宇宙：粒子會在各種地方留下自己的指紋——在大爆炸和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的元素混合中，在宇宙膨脹速率中，在微波背景輻射中，抑或是在物質(zhì)聚合成星系和星系團的過程中。
眾多宇宙學測量的結(jié)果綜合表明，3種中微子的質(zhì)量加起來不能超過0.3電子伏特（eV），僅有質(zhì)量排名倒數(shù)第二的電子質(zhì)量的不足百萬分之一。美國費米實驗室的宇宙學家斯科特·都德爾遜（Scott Dodelson）感嘆道，“對我而言，通過觀察所有的星系和星系團，竟然能探測出如此微小粒子的質(zhì)量，實在是激動人心?！庇＝虼髮W的弗蘭克·克洛斯（Frank Close）則認為，我們應當用心對待這些蛛絲馬跡，“我們還沒明白這一切有多妙不可言”。2013年出爐的、對普朗克空間天文臺宇宙微波背景輻射觀測結(jié)果的分析，進一步修正了我們對3味中微子質(zhì)量之和的限制。
要從這個質(zhì)量之和里區(qū)分出單獨某味中微子的質(zhì)量非常困難，因為它們總是處在不斷變換之中。不過測量這種振蕩也可以給我們提供參考，對目前最佳數(shù)據(jù)的分析給出最輕的中微子質(zhì)量大約在0.05電子伏特。
不過事情并未水落石出?！盀槭裁磁c其他東西比起來，中微子的質(zhì)量小得如此出奇，這仍是怪事一樁，”克洛斯解釋說，“似乎它們本來想無事一身輕，但被宇宙算計了?！?/p>
好像這3種“正常”中微子還怪異得不過癮似的，某理論甚至提出，可能還有一種或幾種“惰性”（sterile）中微子，暗暗跟隨著它們。正常中微子還能感受到弱核力，因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下，惰性中微子卻不同——它們只能感受到引力，從而完全不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。惰性中微子對理論物理學家頗有魅力，因為發(fā)現(xiàn)它們就可以跳出標準模型的樊籬，而且不僅可以解釋暗能量，甚至能直達物質(zhì)本源問題。“它們還有可能參與了標準模型之外、我們迄今還沒發(fā)現(xiàn)的新的基本相互作用，”費米實驗室的理論物理學家鮑里斯·凱瑟（Boris Kayser）補充說。
物質(zhì)為王
過去幾年間，在實驗中已經(jīng)蹦出一連串反常事件，指向一種甚至幾種質(zhì)量大概為1 eV的惰性中微子。這個質(zhì)量既不滿足標準模型，也不在大統(tǒng)一理論的預言范圍之內(nèi)。所以，只要證實它們的確存在，研究者夢寐以求的新物理就唾手可得了。
最近，由近200位中微子專家組成的國際研究小組發(fā)表的一篇關(guān)于惰性中微子的“白皮書”，折射出大家對此的興趣正在升溫。該白皮書描繪了21個或正在進行、或計劃實施、或還在提議中的捕捉惰性中微子的實驗?！耙淮蠖蜒芯繖C構(gòu)都對此興奮異常，”歐洲核子物理中心的物理學家、諾貝爾獎得主卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）談到，“我們希望能很快看到進展?！?/p>
除了惰性中微子，研究者還在追蹤另一項寶藏——尋找中微子和反中微子之間的差異。這將有助于解釋，為什么我們這個宇宙中是物質(zhì)占據(jù)了主導。按照目前我們對宇宙學和粒子物理學的最佳理解，物質(zhì)和反物質(zhì)在大爆炸中被創(chuàng)造出來，數(shù)量應該是相同的。接下來就是一場相互作用的風暴，物質(zhì)和反物質(zhì)本應短兵相接，同歸于盡，只留下光子充斥整個宇宙。然而很明顯，事情并不是這樣發(fā)生的。“為什么宇宙完全由物質(zhì)構(gòu)成，對此我們還沒有很好的答案，”美國麻省理工學院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）評論說，“這實在是個讓人很尷尬的問題”。
美國哈佛大學的亞歷山大·索薩（Alexandre Sousa）說：“這大概是關(guān)于這個宇宙，我們能提出的最為根本的問題了。中微子能為我們打開一扇窺探這個問題的窗口?！?/p>
這扇窗口就是所謂的輕子生成理論（leptogenesis），它依賴于一種被稱為CP破缺的現(xiàn)象。所謂CP破缺是說，在你觀察一個粒子反應的同時，另一個在鏡子中的人觀察由這個粒子的反粒子發(fā)生的同一種反應，你們看到的反應速率會稍有差別。這種現(xiàn)象在由夸克構(gòu)成的復合粒子中已經(jīng)被實驗證實，但觀察到的速率差別不足以解釋為何大爆炸創(chuàng)造的反物質(zhì)蕩然無存。輕子生成理論則假設，在大爆炸后的第一微秒內(nèi)，年輕而熾熱的宇宙包含極重的不穩(wěn)定惰性中微子，后者很快就發(fā)生衰變，其中一些衰變成輕子，剩下的則衰變成這些輕子的反粒子——關(guān)鍵在于，這兩種衰變的速率不同，這個差異只需要很小，小到十億分之一，就可以讓物質(zhì)最終取勝，在消滅所有反物質(zhì)之后，仍能有足夠的輕子留存下來，最終形成質(zhì)子和中子，繼而產(chǎn)生恒星，星系和行星。
人們認為，這些重惰性中微子和它們在標準模型中的同伴，在早期宇宙中相互糾纏難解難分，之后經(jīng)由一種名為翹翹板機制（see-saw mechanism）的物理過程，普通中微子在極熱的宇宙中通過與這些重伙伴的相互作用，獲得了自己輕得離奇的質(zhì)量。如果這幅輕子生成的圖像是正確的，我們就應當觀察到中微子和反中微子之間同樣存在輕微的差異。
到目前為止，實驗物理學家還沒有發(fā)現(xiàn)任何令人信服的中微子CP反常。美國費米實驗室的MINOS項目曾在2010年制造過一場小小的波瀾，宣稱發(fā)現(xiàn)μ子中微子及其反中微子在長距離傳輸過程中，各自的味道混合方式存在微小差異。但到了2012年，積累了更多數(shù)據(jù)之后，這個差異又不見了。
不過，瞥見CP破缺的勝算還是不小的。2012年，中國大亞灣核電站中微子實驗項目的研究人員對一個名為θ13的參數(shù)進行了測量，這個參數(shù)描述了中微子如何在不同味之間來回變換。如果θ13數(shù)值比較小，就意味著CP破缺很難被發(fā)現(xiàn)，如果是零就完全排除了CP破缺的可能性。讓研究者寬心的是，測量出來的θ13大得有點讓人意外，暗示在實驗中發(fā)現(xiàn)CP破缺的可能性很大。美國伊利諾伊西北大學的理論物理學家安德烈·德戈維亞（André de Gouvêa）說：“我想我們現(xiàn)在已經(jīng)大局在握了?！钡谝粋€詳細結(jié)果可能會來自于費米實驗室的新星（Nova）項目，它建造的賣點就是最有可能探測到中微子CP破缺。用索薩的話說，“新星是未來10年唯一能對此一探究竟的實驗。”
不過即便中微子真的表現(xiàn)出CP破缺，故事也沒結(jié)束。只有當包括惰性中微子在內(nèi)的所有中微子都是所謂的馬約拉納粒子（Majorana particles）時，輕子生成理論才會起作用。這意味著，跟標準模型中大多數(shù)粒子不同，這些中微子與它們的反粒子完全相同，通過翹翹板機制獲得質(zhì)量。
如果確實如此，我們應該能觀測到一種名為無中微子雙β衰變（neutrinoless double beta decay）的過程，而標準模型對這種過程一籌莫展。在通常的β衰變中，一個中子變成質(zhì)子，同時放出一個電子和一個電子反中微子。有些原子核則能同時發(fā)生兩個β衰變，此時應該有2個電子反中微子發(fā)射出來。但如果反中微子和相應的中微子完全相同，這兩個反中微子就相當于一個中微子－反中微子對。如此一來，剛一發(fā)射，它們就會相互湮滅成2個光子，結(jié)果整個核反應只產(chǎn)生了2個光子和兩個電子。
“無中微子雙β衰變是證明中微子就是馬約拉納粒子的目擊證人，”美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的艾倫·蓬（Alan Poon）解釋道，“它能向理論物理學家透露很多信息，提示他們?nèi)绾涡拚龢藴誓Ｐ?，而且它還可以聯(lián)系到極早期宇宙，關(guān)系到為什么物質(zhì)比反物質(zhì)要多?！?/p>
追夢逐幻
無中微子雙β衰變的另一個誘人之處在于，中微子的質(zhì)量會影響該反應的速率，讓我們得以同時確定中微子的質(zhì)量。“你可以一箭雙雕，一手抓住最輕中微子的質(zhì)量，一手證明中微子是馬約拉納粒子，”加拿大女王學院的粒子天體物理學家阿特·麥克唐納（Art McDonald）對此充滿期望。
眼下，只有一個小組聲稱觀察到了無中微子雙β衰變，這個俄－德合作小組在2002年發(fā)表了對鍺原子衰變的研究工作，但其他實驗都未能再現(xiàn)他們的結(jié)果。新的發(fā)現(xiàn)來自位于美國新墨西哥州卡爾斯巴的濃縮氙觀測站（Enriched Xenon Observatory），在那里對一大罐液態(tài)氙的探測表明，無中微子雙β衰變就算存在，也極其罕見，也許概率小到根本無法探測（參見《物理評論通訊》，第109卷，032505頁）。不過盡管如此，極高的回報率仍吸引著多個研究項目在繼續(xù)尋找這種衰變。
有關(guān)中微子還有很多問題可問。美國哈佛大學的理論物理學家、諾貝爾獎得主謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）認為，目前需要的是更多更好的實驗。他認為，“現(xiàn)在沒什么好研究的，除非我們有一些實驗作為向?qū)??！?/p>
弗朗西斯·黑爾岑（Francis Halzen）也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文臺的負責人，領(lǐng)導著這個在南極冰層下測量穿過地球的宇宙中微子的實驗項目。“我們追逐的是與中微子振蕩相關(guān)的新的物理，這就意味著我們也許會發(fā)現(xiàn)中微子具有標準模型之外的相互作用，也許會發(fā)現(xiàn)在3種標準中微子之外，還有惰性中微子也參與其中，”他說，“甚至發(fā)現(xiàn)完全在我們預料之外的什么東西”。
他們也都指出，目前的問題在于中微子源。接下來的實驗計劃中有長基線中微子項目，由費米實驗室運行。它將發(fā)射一束密集中微子，穿過數(shù)百公里的地層，到達一個重達數(shù)千噸的大型探測器。另一個項目是英國至日本中微子工廠，計劃在英國產(chǎn)生密集中微子束轟擊在世界另一端位于日本的探測器。這兩個實驗項目都需要數(shù)十年的建造時間和數(shù)十億美元的投入。
不過魯比亞說，這些都物有所值?！斑@是一個有可能做出新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，但是我們不知道新的發(fā)現(xiàn)將來自何方，因此必須鼓足功敗垂成的勇氣，虛心以待?！?/p>
編譯自：《新科學家》，Neutrinos – the next big small thing
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奇異的盈余
中微子家族中最大的反常之處，始于20年前的幾縷閃光。它們出現(xiàn)在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器（LSND）之中，每個閃光都代表一個中微子穿過了探測器裝得滿滿的巨大油罐。這些閃光揭示出，自30米外的粒子加速器飛奔到油罐的過程中，有超出預期數(shù)目的μ子反中微子轉(zhuǎn)變成了電子反中微子。
對此盈余的主流解釋認為，在傳播過程中，這些反中微子會變身為無法探測的“惰性”中微子，這就給轉(zhuǎn)變提供了另一條通道。截至1998年LSND項目結(jié)束，這個盈余一直存在，而且達到可觀的3.8個標準差，雖不足以直接證實存在惰性中微子，作為間接證據(jù)已綽綽有余?！拔覀兊玫搅艘粋€令人吃驚的結(jié)果，”洛斯阿拉莫斯實驗室的比爾·路易斯（Bill Louis）回憶道，他就曾效力該實驗。
不過，如果不是后繼的一連串類似發(fā)現(xiàn)，LSND出現(xiàn)的反常也許早就被人拋諸腦后了。
費米實驗室的研究人員建造了MiniBooNE來檢驗LSND的結(jié)果。他們先用中微子來做實驗，觀察μ子中微子轉(zhuǎn)變成電子中微子，但是用了更高的能量和更長的傳播距離，接著又換成跟LSND一樣的反中微子。得到的結(jié)果非常復雜，但同樣給出了惰性中微子可能存在的線索。
還有一個實驗建議，用完全不同的方式來尋找惰性中微子。對來自太陽的中微子的早期實驗探測使用大量的鎵，因為太陽中微子能使其轉(zhuǎn)變成可探測的同位素鎵。研究人員用已知的輻射源來校準探測器。有兩個相互獨立的此類實驗，分別位于意大利和俄羅斯的地下，都發(fā)現(xiàn)來自太陽的中微子比理論模型的預測要少15%，被稱為GALLEX和SAGE反常。同樣，可能的原因是，某些中微子在到達地球之前，轉(zhuǎn)變成了無法探測的形態(tài)。
一鳴驚人
接下來就是最近在核反應堆中發(fā)現(xiàn)的反常。通過改進對原子核如何捕獲中微子以及核反應產(chǎn)生中微子數(shù)量的計算方法，研究人員發(fā)現(xiàn)過去30年間有數(shù)個實驗，其結(jié)果比預期探測到的中微子要多，平均多7%?！拔覀冋业竭@些反常時，腦子里根本沒想到惰性中微子，”法國原子能委員會的中微子物理學家蒂埃里·拉塞爾（Thierry Lasserre）說，“這絕對是個大大的驚喜”。
路易斯檢查了MiniBooNE、SAGE、GALLEX和反應堆實驗中的反常。“所有結(jié)果都與LSND一致，”他說，“這就為尋找惰性中微子模型注入了新的動力”。
美國麻省理工學院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）和同事最近剛剛發(fā)表了一個非常有說服力的模型，能產(chǎn)生與通常的3味中微子相平行的3種惰性中微子。這個新模型解釋了在中微子源附近發(fā)現(xiàn)的大部分反?，F(xiàn)象。“你不能假設只有一種惰性中微子，”康拉德解釋說，“我們用3+3得到了非常好的結(jié)果，可以很好地解釋之前發(fā)現(xiàn)的那些中微子的短缺和盈余。我們認為這個模型將一鳴驚人?！?/p>
拉塞爾提議用更多的實驗來平息爭論。他希望在現(xiàn)有的反應堆中再加入一個高密度輻射源。如果這個輻射源能產(chǎn)生質(zhì)量在1 eV附近的較輕的惰性中微子，它們與可探測的中微子味之間的振蕩應當相對更快，“于是你就能看到美妙的振蕩圖案，”拉塞爾說，“如果這個實驗做出來了，要么就有所發(fā)現(xiàn)，反之就能確定惰性中微子并不存在。”他希望能在5年之內(nèi)看到這些振蕩，用他的話來說，就是“終結(jié)反?！薄?/p>
