振盪迫使微中子必須有質量
讀到這一篇時，你已經見過那個壓軸的事實：微中子在飛行途中會變換味，而這種 [[neutrino-oscillation|振盪]]解決了太陽微中子問題。現在我們要兌現它最深刻的後果。振盪不只是一樁奇聞——它是一條數學證明，證明微中子不可能沒有質量。最初的標準模型乾脆俐落地假定它們沒有質量，就像光子一樣。正是這一個觀測結果，比任何其他結果都更能解釋為什麼物理學家說微中子撕開了那套理論。
為什麼變味就逼出了質量？回想本階前面那幅圖像：一個味微中子，是三個質量態的混合，每個質量態都以自己穩定的量子節奏行進。振盪之所以發生，純粹是因為這些節奏的快慢有極其微小的差異，於是混合在途中被重新攪拌。但一個粒子的節奏由它的能量決定，而對給定的動量，能量取決於質量。如果三個質量態的質量都一樣——尤其是如果全都為零——它們的節奏就會完全相同，混合永遠不會漂移，你出發時是什麼味，就會永遠保持什麼味。質量沒有差別，就沒有振盪。
還有一種更直觀的看法。一個真正沒有質量的粒子，恰好以光速運動，而按照狹義相對論，它內部的鐘是凍結的——對它而言，沒有任何固有時間流逝，所以關於它的一切都不能演化。一個在飛行途中確實會演化、會平滑地從一種味循環到另一種味的粒子，因此必定運動得比光慢，這就意味著它必定帶有質量。僅僅看著一個微中子發生改變，就等於看著一隻鐘在走，而一個沒有質量的粒子絕不可能有這樣一隻鐘。
這質量到底是什麼——以及標準模型為何容不下它
首先，關於大小要說句實話。振盪測量的只是質量平方之間的*差值*，也就是質量平方差，從不測量質量本身。所以單靠振盪，你無法知道任何一種單獨的微中子有多重——只知道至少有兩種不為零。其他測量（β 衰變能譜的端點，以及微中子對宇宙結構的重力牽引）給總量設了上限：每種微中子都比電子的約百萬分之一還輕，也許更輕。它們是標準模型中所有還帶點質量的東西裡，遠遠最輕的。
那麼，理論為什麼連這一絲質量都不許有？在標準模型裡，其他每一種粒子都通過湯川耦合從希格斯機制獲得質量——而這道配方需要把一個粒子的左手版本和右手版本*雙雙*拼在一起。但標準模型搭建之初，微中子只有左手的形式；在原始藍圖裡壓根就沒有一個右手微中子供希格斯去抓。沒有東西可耦合，標準的質量配方給微中子算出來的就恰好是零。與其說理論選擇了無質量，不如說是它遺漏的東西把無質量強加給了它。
質量到底是怎麼疊起來的？
這裡就是質量所揭開的第一個重大懸案。振盪以漂亮的精度把三個質量平方之間的兩個差距交到了我們手裡：一個小的「太陽」差和一個較大的「大氣」差，後者約為前者的三十倍。但那個大差距的符號是未知的，這就讓 [[neutrino-mass-ordering|質量排序]]懸而未決。想像一架梯子的三級橫檔，你已經精確量出了它們之間的間距，卻分不清那對靠得很近的橫檔是在底部，還是在靠頂部的地方。
桌面上擺著兩種排列。在*正序*裡，靠得很近的那對太陽態是最輕的兩個，而孤零零的那個態在最上面——輕、輕、然後重。在*倒序*裡，那個孤零零的態落到了最底下，於是兩個幾乎相等的重態疊在一個較輕的態之上。打破僵局最乾淨的方法，利用的是一個微妙的效應：當微中子犁過數百公里的地球時，行星裡的電子會把微中子和反微中子推向相反的方向，而這一推，就把兩種排序撬開了。
微中子是它自己的反粒子嗎？
第二個重大問題甚至更加古怪，它源自微中子不帶電荷這一點。每一種帶電的物質粒子，都有一個涇渭分明的反粒子：電子有正電子，電荷相反。可微中子根本沒有電荷可翻轉。於是一種驚人的可能性敞開了——也許微中子和反微中子根本不是兩樣東西，而是同一個粒子的兩副面孔。這就是 [[dirac-vs-majorana-neutrino|狄拉克與馬約拉納]]之問。
這兩個答案，是按它們所蘊含的質量項種類來命名的。狄拉克微中子是尋常的情形：微中子和反微中子真正不同，與電子完全一樣，而質量來自通過希格斯把一個左手微中子與一個全新的右手夥伴耦合起來——和其他所有粒子是同一套機制，只是耦合小得離譜。馬約拉納微中子（以埃托雷·馬約拉納命名）則是奇異的情形：這個粒子是它自己的反粒子，它的質量是一種特殊的類型，只有中性粒子才被允許擁有。兩種圖像在幾乎所有日常行為上都一致，因為差別只通過微中子那微不足道的質量才浮現——這恰恰是把它們區分開來如此殘酷地困難的原因。
馬約拉納這個選項之所以誘人，是因為它附帶一個額外的解釋。在 [[seesaw-mechanism|蹺蹺板機制]]裡，你讓尋常的輕微中子與一個極其重的右手夥伴配對；你把那個夥伴造得越重，可見的微中子就被壓得越輕——就像蹺蹺板的兩端。這就自然而然地解釋了微中子質量為何如此小得離譜，而無需任何精細調節。這是一個優雅、理由充分的想法，卻也完全未獲證實：蹺蹺板是一個假說，而非確立的事實。
那個能一錘定音的衰變
你究竟要怎樣才能把狄拉克微中子和馬約拉納微中子區分開來？最乾淨的希望，是一個稀有到極點的核過程：[[neutrinoless-double-beta-decay|無微中子雙貝塔衰變]]。某些特殊的原子核能夠一次發生兩次貝塔衰變——兩個中子一起轉化，通常會吐出兩個電子和兩個反微中子。人們夢寐以求的，是一個*根本沒有微中子出來*、只剩下兩個電子的版本。這唯有在「一次轉化放出的反微中子能被另一次當作微中子吞掉」時才會發生——而這又唯有在微中子是它自己的反粒子時才有可能。
ordinary 2-neutrino: 2n -> 2p + 2e- + 2 nu-bar (seen) neutrinoless: 2n -> 2p + 2e- (sought) signature: total energy of the two electrons ordinary -> broad smear (neutrinos steal energy) neutrinoless -> one sharp spike at the maximum
這份回報會在三條戰線上同時變得巨大無比。它將證明微中子是馬約拉納型的；它將表明輕子數——輕子減去反輕子的即時總帳——並非真正守恆，而這是一條在任何反應中都從未見過被破壞的定律；它還將提供一個抓手，去觸及振盪永遠夠不到的微中子絕對質量標度。它甚至可能暗示宇宙為何由物質而非空無構成。實驗把數百公斤特殊的同位素深埋地下，屏蔽宇宙線，守候著那一根尖銳的峰。