微中子與振盪

微中子振盪(neutrino oscillation)

微中子振盪指的是一個驚人的事實:微中子在飛行途中能改變自己的味。一個出生時是電子微中子的微中子,飛過一段距離後可能現身為緲子微中子,過一會兒或許又盪回來。這就好比你拋出的一枚硬幣在半空中平滑地在正面與反面之間循環往復,機率隨它飛了多遠而變化。正是這個現象解決了太陽微中子問題。

之所以會這樣,原因既微妙又深深植根於量子力學。微中子出生時帶的味,並不是這種粒子的某個單一、確定的版本,而是三個具有略微不同質量的底層狀態的混合。由於這些質量狀態的傳播速率有極其微小的差異,這個混合在途中會被不斷重新攪拌,到達時的混合物可能偏向於一種不同於出發時的味。隨著微中子的移動,找到每一味的機率像波一樣此起彼伏——這就是「振盪」——其節奏由微中子的能量和飛行的距離決定。

振盪之所以意義深遠,是因為它唯有在微中子帶有質量的前提下才可能發生。一個真正沒有質量的粒子以光速運動,它內部的鐘是凍結的,永遠不會改變。所以僅僅觀測到振盪——1998 年超級神岡實驗首先在大氣微中子上確證了它,2002 年前後 SNO 又在太陽微中子上確證了它——就是微中子並非沒有質量的第一個鐵證,推翻了最初標準模型的一項核心假設。這項發現榮獲 2015 年諾貝爾獎,至今仍是那套理論上為數不多的幾道確鑿裂縫之一。

超級神岡實驗把頭頂正上方天空中由宇宙線產生的緲子微中子,與在地球另一側產生的緲子微中子作比較。那些穿過地球、飛了數千公里的微中子到達時數目變少了——它們有足夠的時間振盪變成了其他的味。

飛得越遠的微中子振盪得越多——這正是經典的特徵信號。

振盪只揭示微中子質量之間的差值,而非質量本身;它證明至少有兩種微中子是有質量的,卻無法告訴你任何單獨一種到底有多重。

又稱
flavor oscillation中微子变味微中子變味