【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘

2019-12-28 - 中微子

1937年4月,即距今整整80年前的春天,31岁的意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)在本国的《Nuovo Cimento》期刊上发表了他的最后一篇学术论文,题目是Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone(英文翻译:Theoryof the symmetry of electrons and positrons,即“一个关于正反电子对称性的理论”)。

在这篇让后人追捧至今的文章中,马约拉纳指出了一种新型的物质粒子:马约拉纳型费米子,即反粒子就是其自身的费米子。他的具体表述如下(英文翻译来自意大利著名物理学家Luciano Maiani。):

【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘
【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘

“…现在没有必要假设反中子或者反中微子的存在。后者其实是在正贝塔射线的放射理论中被提出来的。不过很显然,可以修改这一理论,使得正反贝塔射线的放射过程总是伴随着中微子的射出。”

上图显示的是目前已知的基本粒子,其中夸克和轻子属于费米子,自旋量子数等于1/2;而希格斯粒子和力的传播子则属于玻色子,相应的自旋量子数分别为整数0和1

【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘
【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘

换句话说,中微子的反粒子可以是它自己,因此用来区分正反电子和正反中微子的“轻子数”(lepton number)不再是守恒量,即无法再定义中微子的轻子数等于 1而反中微子的轻子数等于-1。这是马约拉纳型中微子与狄拉克(Dirac)型中微子的本质区别,因为后者的反粒子是不同的、携带相反轻子数的粒子。

【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘
【中微子和夸克哪个更小】马约拉纳的绝唱:让中微子更加神秘

对于诸如光子或者pion介子这样的玻色子而言,它的反粒子就等于它自身。但是除了中微子外,其他基本的费米子(如夸克和电子)都携带电荷,因此它们与它们的反粒子是两类不同的粒子,无法等价。

只有电中性的中微子在不违背电荷守恒的前提下有可能与它的反粒子完全不可区分,而这一点正是马约拉纳中微子的特性。果真如此的话,如何通过实验来证实中微子的马约拉纳属性呢?

限于目前的实验技术,最有可能确认中微子的马约拉纳性质的轻子数不守恒过程是某些原子核的所谓“无中微子双贝塔衰变”(neutrinoless double-betadecay,简记为 衰变)过程,例如近年来被研究得较多的和衰变。

这类过程是美国物理学家Wendell Furry在1939年率先提出来的。正如著名物理学家MariaGoeppert Mayer在1935年所指出的那样,一个原子核的“双贝塔衰变”过程(简记为)相当于该原子核内部的两个中子分别发生了“单贝塔衰变”过程,结果不仅产生了两个质子和两个电子,还放射出两个电子型反中微子。

但两个质子可以属于另一个稍轻的原子核,于是整个过程就表现为一个原子核转化成另一个原子核,再加上两个电子和两个反中微子,例如。

但倘若中微子是马约拉纳粒子,那么末态就可能不再出现反中微子或者中微子,因为此时马约拉纳中微子可以作为虚粒子在两个“单贝塔衰变”过程之间相互交换,即可能发生轻子数不守恒的衰变。

与过程的连续能谱相比,理论上衰变的可观测信号是末态两个电子的能量谱线呈现出单一的峰值(下图所示的能谱并非单值,原因在于已经假设了实际测量数据的统计误差)。在实验中确定这样的稀有信号是极其困难的,这也是为什么多年来国际上多个实验组一直未能观测到令人信服的过程的原因之一。

当然,这类过程也不可避免地受到有效的马约拉纳中微子质量项的压低,因此观测到这样的轻子数不守恒现象不仅能够证实中微子的马约拉纳属性,还可以限制中微子的质量。

目前欧洲的GERDA实验、日本的KamLAND-Zen实验和美国的EXO-200实验代表了实验的最好水平,其对马约拉纳中微子质量项的限制精度达到了一百毫电子伏左右。下一代的实验将有希望把精度推进到几十毫电子伏。一旦中微子的马约拉纳性质被确定,那将是粒子物理学的一项重大突破。

令人遗憾的是,马约拉纳在发展了如今以他的名字命名的新费米子理论之后仅一年就神秘地失踪了。目前可以确认的记载是他购买了1938年3月25日从意大利西西里岛的巴勒莫前往那不勒斯的船票,而在这之前他从银行提走了自己所有的存款。但他却在那一天从人间蒸发,没有人知道他的行踪和下落。他的亲友、同事和后来的史学家猜测了如下几种可能性:

1)自杀;

2)逃往阿根廷,并在那里隐姓埋名地生活了二十几年;

3)遁入空门;

4)遭到绑架或杀害,以阻止他加入制造原子弹的项目;

5)沦为乞丐…

总之,马约拉纳的神秘失踪成了科学史上的一宗悬案,至今仍然困扰着很多人,而且不断有人宣称找到了他生或死的新证据,但似乎都不足为凭。

马约拉纳失踪后不久,他的导师恩里科·费米(Enrico Fermi)以一个大物理学家的独特眼光对自己的学生的智商和情商作了如下评价:

“…世上有各种各样的科学家。第二流和第三流的科学家竭尽全力,却无法走得很远。对科学的发展做出首要贡献的人是那些第一流的科学家。天才人物包括伽利略和牛顿,埃托雷·马约拉纳也是其中之一。马约拉纳比世人有更高的天分,但不幸的是他缺乏人人都具备的一种素质:朴素的常识。”

也许费米说得对,每一位天才都有让俗人无法理解的情怀。但无论如何,马约拉纳的传奇命运让神秘的中微子显得更加神秘。很多理论物理学家推测,幽灵一般的暗物质粒子或许也具有马约拉纳属性。果真如此的话,物质世界似乎处处存在着挥之不去的、来自马约拉纳的神秘气息。

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