很少有物理學家有幸將一種新的基本粒子帶到世界上。然而，當沃爾夫岡·泡利在 1930 年突然想到中微子的想法時，內心的不安抑制了他的反應。“我做了一件可怕的事情，”泡利後來告訴他的同事。“我假設了一種無法被探測到的粒子。”
中微子確實難以捉摸——它幽靈般的性質使其能夠穿過幾乎所有物理屏障，包括物理學家在其粒子探測器中使用的材料。事實上，大多數中微子在穿過地球時，甚至沒有碰到另一個粒子。然而，泡利的擔憂被證明有些誇大：中微子是可以被探測到的——儘管這樣做需要付出巨大的努力和實驗創造力。
中微子也是最奇怪的基本粒子，還有其他原因。它們不構成原子，也與化學沒有任何關係。它們是唯一不帶電的物質粒子。它們非常輕——質量不到最輕物質成分電子的百萬分之一。而且，中微子比其他粒子更會變形；它們在三種類型或“味”之間轉換。
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這些微小的粒子讓物理學家們持續驚訝了 80 多年。即使在今天，關於中微子的基本問題仍然沒有答案：中微子只有三種味嗎，還是存在更多種？為什麼所有中微子都如此輕？中微子是它們自己的反物質對應物嗎？為什麼中微子會如此驚人地改變特性？
在世界各地——在粒子對撞機、核反應堆、廢棄的礦井中——可以解決這些問題的新實驗正在上線。它們提供的答案應該為自然的內在運作提供重要的線索。
中微子的奇異性使其成為指引粒子物理學家進行艱鉅航行的北極星，朝著所謂的統一大理論方向前進，該理論用一致的數學框架描述除引力以外的所有粒子和力。《粒子物理學標準模型》是迄今為止關於粒子和力的最佳理論，但無法容納中微子的所有複雜性。它必須擴充套件。
輕量但緊迫
在標準模型的中微子部分基礎上構建的最流行方法是引入稱為右手中微子的新實體。手性是電荷的一種變體，它決定粒子是否感受到弱相互作用，即負責放射性衰變的力；粒子必須是左手性的才能感受到弱力。因此，這些假設的右手中微子將比它們的左手同胞（標準模型中經過實驗證的中微子）更難捉摸。所有中微子都被歸類為輕子——也包括電子的擴充套件粒子家族——這意味著它們不感受將原子核中的質子和中子結合在一起的強力。由於缺乏電荷，中微子也不直接感受電磁力。對於三種已知的中微子味來說，只剩下引力和弱相互作用力，但右手中微子甚至對弱力也是不可滲透的。
如果存在右手中微子，它將為另一箇中微子謎題提供非常合理的解釋：為什麼三種左手性型別——電子、μ子和 τ 中微子——都具有如此小的質量。
大多數基本粒子透過與普遍存在的希格斯場相互作用獲得質量。（去年，當日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機（LHC）的物理學家宣佈他們已經識別出一種與長期尋求的希格斯玻色子描述相匹配的新粒子時，希格斯成為家喻戶曉的名字。該玻色子是希格斯場的粒子對應物，正如光子是電磁場的對應物一樣。）在此過程中，希格斯帶走了粒子的弱力版本的電荷。由於右手中微子缺乏這種電荷，它們的質量不依賴於希格斯場。相反，它可能來自完全不同的機制，即大統一的極高能量，這將使右手中微子非常重。
量子效應可以將右手中微子與其左手同胞聯絡起來，從而導致一個的巨大質量“感染”另一個。然而，這種傳染性會非常弱——如果右手中微子得了肺炎，左手中微子只會感冒咳嗽——這意味著左手性質量會非常小。這種關係被稱為蹺蹺板機制，因為大的質量會提升或抬起較小的質量。
中微子質量的另一種解釋來自超對稱，這是標準模型之外新物理學的主要候選者。在超對稱假設中，標準模型中的每個粒子都有一個尚未被發現的夥伴。所謂的超夥伴粒子必須非常巨大才能逃脫迄今為止的探測，這將立即至少使基本粒子的數量增加一倍。如果存在超對稱粒子，LHC 可能能夠產生它們並測量它們的性質。
超對稱最吸引人的特性之一是，被稱為中性微子的超粒子是暗物質的良好候選者——星系和星系團中施加引力但既不發光也不以其他明顯方式顯露自身的質量。只有當中性微子在很長一段時間內保持穩定，而不是迅速衰變為其他粒子時，它才符合暗物質的要求。
因此，壽命短的中性微子將使暗物質研究人員回到起點，但可能對中微子物理學家來說是一個福音。中性微子的穩定性取決於一個假設的性質，稱為 R 宇稱，它阻止超夥伴衰變為任何普通的標準模型粒子。然而，如果 R 宇稱不成立，中性微子就會變得不穩定——其衰變部分取決於中微子的質量。
我們兩人（赫希和波羅德）與西班牙巴倫西亞大學的何塞·巴萊和葡萄牙里斯本技術大學的豪爾赫·C·羅芒合作，已經證明中微子和中性微子之間的聯絡可以在 LHC 上進行測試。如果中性微子的穩定性確實取決於中微子，那麼中性微子的壽命可以從已知的中微子特性中預測出來。恰好超粒子應該存在足夠長的時間，讓物理學家可以在 LHC 的探測器內追蹤其整個生命週期——從產生到衰變。
什麼是反物質？
對中微子微薄質量的所有合理解釋都指向未探索的物理學領域。然而，其中一種解釋，即蹺蹺板機制，也可能與物質如何戰勝反物質的奧秘有關——這場勝利使宇宙結構的形成以及最終生命的進化成為可能。
標準模型中的每個粒子都有一個反物質對應物，一種具有相反電荷的“比扎羅世界”版本。例如，電子的電荷為 -1，而反電子或正電子的電荷為 +1。當電子和正電子碰撞時，它們的電荷相互抵消，粒子以輻射爆發的形式湮滅。右手中微子的完全不帶電可能具有重要的意義：這可能意味著，對於中微子來說，物質和反物質是相同的。在物理學術語中，電子和正電子被稱為狄拉克粒子。另一方面，自身反物質對應物的粒子是馬約拉納粒子。
如果蹺蹺板理論準確地反映了粒子世界的運作方式，那麼左手中微子不僅感染了質量，還感染了右手中微子的馬約拉納性。換句話說，如果有些中微子是它們自身的反粒子，那麼所有中微子都是。
中微子及其反粒子是相同的將有各種有趣的含義。例如，中微子可以觸發粒子和反粒子之間的轉變。在大多數粒子反應中，所謂的輕子數，或輕子數減去反輕子數，是守恆的——它不會改變。然而，中微子可能會違反這條規則，造成物質和反物質的不平衡。對於我們人類來說，這種不平衡是一件非常好的事情，因為如果物質和反物質在大爆炸後均勻配對，它們將完全湮滅彼此，不留下任何東西來構建星系、行星和生命形式。長期以來，物質支配反物質的解釋一直困擾著物理學家和宇宙學家。
消失的行動
中微子及其反粒子之間的聯絡不必停留在誘人但最終未解決的理論領域。過去和現在的許多實驗都試圖透過尋找一種稱為核雙β衰變的放射性事件來明確回答中微子是否實際上是它們自身的反粒子。
中微子和反中微子最初是在核 β 衰變中觀察到的，原子透過核 β 衰變發射電子和反中微子。在幾種核同位素中，可以同時發生兩次 β 衰變，在正常情況下，會發射兩個電子和兩個反中微子。然而，如果中微子是馬約拉納粒子，那麼在第一次衰變中發射的同一個反中微子可以在第二次衰變中被吸收。結果是雙 β 衰變，不發射任何中微子或反中微子[參見對頁的方框]。在瞬間，在以前沒有輕子的地方，出現了兩個輕子（電子），而沒有它們通常的平衡反輕子（反中微子）。換句話說，這種所謂的無中微子雙 β 衰變違反了輕子數守恆。
目前，尋找無中微子雙 β 衰變是我們對特別是馬約拉納中微子和一般輕子數違反的最佳測試。原則上，無中微子雙 β 衰變實驗很簡單：收集一種核同位素，如鍺 76，其中可以同時發生 β 衰變，然後等待兩個電子在沒有中微子陪伴的情況下出現。然而，實際上，這些實驗非常困難。任何型別的雙 β 衰變都極其罕見，因此實驗人員必須收集大量的鍺或其他源材料，才能有望記錄無中微子型別。更糟糕的是，從宇宙射線不斷傾瀉到地球上的亞原子粒子流傾向於淹沒來自雙 β 衰變的微小訊號。因此，實驗人員必須將他們的探測器埋在地下深處或以前的礦山或其他地下實驗室中，那裡的覆蓋岩石幾乎可以遮蔽掉所有宇宙射線。
不幸的是，迄今為止唯一一份關於無中微子雙 β 衰變的報告來自義大利的海德堡-莫斯科雙 β 衰變實驗，但受到了其他物理學家的強烈質疑。剛剛開始獲取資料或目前正在建設中的下一代探測器將進行更徹底的搜尋。在新墨西哥州進行的一項名為 EXO-200 的實驗和在日本進行的另一項名為 KamLAND-Zen 的實驗最近公佈了他們搜尋無中微子雙 β 衰變的初步資料，這與之前的說法引起了摩擦，但並未明確排除之前的說法。
義大利的 GERDA 實驗於 2011 年上線，它使用與海德堡-莫斯科裝置相同的同位素，採用改進的設計，旨在直接對抗其前身備受爭議的發現。EXO-200 和 KamLAND-Zen 實驗都在繼續執行，一個名為 CUORE 的裝置計劃於 2014 年在義大利開始獲取資料。目前正在進行的先進實驗的數量為人們提供了非常合理的希望，即無中微子雙 β 衰變可能會在本十年末之前得到證實。
光開關
發現尚未被發現的中微子或證明中微子和反中微子是相同的，將為這些已經令人費解的粒子增添一個全新的神秘層面。但是，即使我們物理學家正在尋找這些粒子的新方面，我們也繼續與一種有據可查但瞭解甚少的的中微子屬性作鬥爭——它們強烈的變形傾向。在文獻中，我們說輕子味違反量或中微子混合與夸克味之間的混合相比很大，夸克是構成質子和中子的基本粒子。
世界各地的許多研究小組正在研究新構想的自然對稱性——表面上不同的力和粒子之間的關鍵共性——如何解釋這種行為。一個例子是已知粒子從一種粒子轉變為另一種粒子的方式中固有的對稱性。加爾各答薩哈核物理研究所的 Gautam Bhattacharyya、德國多特蒙德技術大學的 Philipp Leser 和我們中的一位（Päs）最近發現，這種對稱性會顯著影響希格斯場。味交換夸克和中微子與希格斯場的相互作用將體現在希格斯玻色子的奇異衰變產物中，這些產物應該可以在 LHC 上觀察到。這樣的訊號可能指向中微子超活躍嬗變的潛在機制，這肯定會是 LHC 最壯觀的發現之一。
與此同時，另一類實驗正在確定粒子身份轉換的頻率。日本的 T2K、明尼蘇達州的 MINOS 和義大利的 OPERA 等長基線實驗探測來自數百公里外粒子加速器的中微子束，以測量中微子在穿過地球的長距離中的味變化[參見第 43 頁的方框]。這些實驗的規模如此之大，以至於中微子在其旅程中可能會跨越州界甚至國際邊界。（2011 年，OPERA 在合作的物理學家宣佈他們在實驗中發現中微子從 CERN 到義大利地下實驗室的傳播速度似乎超過光速時成為新聞——這一測量很快被證明是有缺陷的。）為了補充這些長距離中微子實驗，法國的 Double Chooz 專案、中國的大亞灣反應堆中微子實驗和韓國的 RENO 都測量了來自核反應堆的中微子的短程振盪。
直到 2012 年，這些實驗才最終確定了所謂的混合角中最後一個也是最小的一個——控制中微子味之間躍遷的引數。最後一個被確定的混合角，稱為反應堆角，描述了電子中微子或反中微子在短基線上的轉換機率。反應堆角的測量結果開啟了未來中微子實驗可能能夠比較中微子和反中微子性質的可能性。粒子及其反物質對應物之間的不對稱性被稱為 CP 破壞，並且與無中微子雙 β 衰變的研究一起，可能與為什麼宇宙中物質多於反物質的奧秘有關。
在正在進行的搜尋中，T2K 可能有第一個體面的機會看到 CP 破壞的跡象。但是，新一代實驗正在競相回答關鍵的中微子問題——而且這有望令人興奮。目前正在美國建造的長基線 NOvA 實驗也具有揭示中微子 CP 破壞的潛力。NOvA 將從伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室向地球發射中微子束，穿過威斯康星州和蘇必利爾湖的頂端，到達 810 公里外的明尼蘇達州阿什河的探測器。中微子將在不到三毫秒的時間內完成旅程。
在其研究目標中，NOvA 還旨在闡明中微子質量等級——確定哪個中微子最輕，哪個中微子最重。目前，物理學家只知道至少有兩種中微子具有非零質量，但是，與這些幽靈粒子如此多的方面一樣，細節仍然難以捉摸。
揮之不去的謎團
由於正在進行如此多的中微子實驗——具有不同的目標、不同的設計和不同的粒子源——來自全球各地的各種資料有時會產生相互衝突的解釋。最誘人也最具爭議的實驗暗示之一表明存在一種稱為惰性中微子的新粒子。
與泡利在 1930 年的擔憂相呼應，惰性中微子只能間接探測到，就像蹺蹺板機制中重得多的右手中微子一樣。（然而，從理論的角度來看，這兩種提出的粒子幾乎是互斥的。）儘管如此，兩項實驗可能已經捕捉到了惰性中微子的氣息。LSND 在 1990 年代在洛斯阿拉莫斯國家實驗室執行，發現了早期但有爭議的證據，表明存在一種難以捉摸的中微子味轉換型別——μ 子反中微子變形為電子反中微子。費米實驗室的 MiniBooNE 於 2007 年開始產生科學成果，也暗示了這種轉換。然而，LSND 和 MiniBooNE 振盪與標準的三中微子圖景不太吻合。
量子力學允許中微子僅在它們具有質量且每種味具有不同質量的情況下在味之間振盪。各種中微子質量可以觸發中微子轉換，以解釋 LSND 和 MiniBooNE 異常，但這隻有在除了已知質量差之外還存在另一個質量差的情況下才有可能——換句話說，只有在存在四種而不是三種中微子型別的情況下才有可能。額外的中微子耦合到弱力將使 Z 玻色子（弱力的載體）衰變太快，因此該粒子根本不會與弱力相互作用。因此，被稱為“惰性”：這種假設的中微子幾乎與粒子動物園的其餘部分完全脫鉤。
另一種完全不同的探測器，可以捕獲來自附近核反應堆的中微子，也記錄了令人驚訝的結果，這些結果可能指向惰性中微子。來自幾項反應堆實驗的資料表明，電子反中微子在非常短的距離內異常消失，如果從中微子振盪的角度解釋，這將意味著惰性中微子的存在。這種異常現象已經存在一段時間了，但最近對各種反應堆的中微子輸出的重新計算加強了對新粒子的論證。
惰性中微子的證據（如果存在的話）仍然是粗略的、間接的和衝突的——所有這些都是在追求一種臭名昭著的難以捉摸，甚至可能不存在的粒子時所預期的。然而，MiniBooNE 和一個名為 MicroBooNE 的配套實驗（目前正在費米實驗室建造）可能很快就會對此事發表更確定的看法。並且正在討論一批擬議的新實驗，這些實驗將研究反應堆異常。
令人矚目的是，強大的 LHC 和相對低能量的中微子實驗為探索自然的內在運作提供瞭如此互補的途徑。在沃爾夫岡·泡利構思出他的“無法探測到的粒子” 80 多年後，中微子繼續嚴守他們的秘密。儘管如此，解開這些秘密的潛在回報證明了數十年來為進一步窺探中微子的私生活所做的努力是合理的。