中微子与振荡
中微子振荡(neutrino oscillation)
中微子振荡指的是一个惊人的事实:中微子在飞行途中能改变自己的味。一个出生时是电子中微子的中微子,飞过一段距离后可能现身为缪子中微子,过一会儿或许又荡回来。这就好比你抛出的一枚硬币在半空中平滑地在正面与反面之间循环往复,概率随它飞了多远而变化。正是这个现象解决了太阳中微子问题。
之所以会这样,原因既微妙又深深植根于量子力学。中微子出生时带的味,并不是这种粒子的某个单一、确定的版本,而是三个具有略微不同质量的底层状态的混合。由于这些质量状态的传播速率有极其微小的差异,这个混合在途中会被不断重新搅拌,到达时的混合物可能偏向于一种不同于出发时的味。随着中微子的移动,找到每一味的概率像波一样此起彼伏——这就是'振荡'——其节奏由中微子的能量和飞行的距离决定。
振荡之所以意义深远,是因为它唯有在中微子带有质量的前提下才可能发生。一个真正没有质量的粒子以光速运动,它内部的钟是冻结的,永远不会改变。所以仅仅观测到振荡——1998 年超级神冈实验首先在大气中微子上确证了它,2002 年前后 SNO 又在太阳中微子上确证了它——就是中微子并非没有质量的第一个铁证,推翻了最初标准模型的一项核心假设。这项发现荣获 2015 年诺贝尔奖,至今仍是那套理论上为数不多的几道确凿裂缝之一。
超级神冈实验把头顶正上方天空中由宇宙线产生的缪子中微子,与在地球另一侧产生的缪子中微子作比较。那些穿过地球、飞了数千公里的中微子到达时数目变少了——它们有足够的时间振荡变成了其他的味。
飞得越远的中微子振荡得越多——这正是经典的特征信号。
振荡只揭示中微子质量之间的差值,而非质量本身;它证明至少有两种中微子是有质量的,却无法告诉你任何单独一种到底有多重。
又称
另见