【中微子和电子哪个大】为什么中微子是标准模型中的最大谜团?

2019-12-28 - 中微子

无论是水、石头等非生物,或者植物、人等生物,还是行星、恒星等天体,这些物体都是由标准模型中的的几种基本粒子组成——夸克、轻子和玻色子。夸克和轻子结合在一起形成质子和中子,由此又构成了原子、分子,乃至宏观物体,这些都能被粒子物理标准模型准确描述。

【中微子和电子哪个大】为什么中微子是标准模型中的最大谜团?
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不过,中微子是个例外。这种粒子的行为十分怪异和独特,它们不同于其他任何粒子,它们是唯一不能单独用标准模型来解释的的标准模型粒子。

粒子的性质

对于一种粒子,它们会有一些本质上明确的性质,包括:质量、电荷、自旋(内禀角动量)、弱超荷、色荷、重子数、轻子数以及轻子族数。

【中微子和电子哪个大】为什么中微子是标准模型中的最大谜团?
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电子自旋

以电子为例,这是一种带电的轻子,其质量和电荷的值是非常精确的,这些值对于宇宙中的每一个电子都是一样的。电子的其他值可能是零,例如,色荷和重子数。而其他非零值能够告诉我们有关电子的一些额外信息,例如,电子的自旋可以是 1/2或-1/2,这能表明自由度。

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正因为如此,如果把一个电子和一个质子结合起来,电子的自旋和质子的自旋有50%的几率是正向排列,有50%的几率是反向排列。一个电子的自旋,相对于所选择的任何轴(x, y, z,电子的运动方向)是完全随机的。

三味中微子

正如电子一样,中微子也是轻子。虽然中微子不带电荷,但它们也都有自己的量子数。就像电子有反物质(正电子)一样,中微子也有反物质——反中微子。中微子有三味,分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子,并且还有对应三种反中微子。尽管泡利早在1930年就已经首次提出了中微子理论,但直到20多年后,物理学家才首次发现了中微子,而且那次发现其实还涉及到核反应堆产生的反中微子。

与众不同的中微子

根据中微子相互作用所产生粒子的性质,物理学家可以重建所观测到的中微子和反中微子的各种性质。其中一个性质与众不同,它与标准模型中的其他所有费米子都不一致:自旋。

对于标准模型中的夸克和轻子,它们的自旋都有50%的几率为 1/2或-1/2,但中微子却是例外。无论是中微子,还是反中微子,它们的自旋都是受限制的。

粒子物理标准模型

假设产生一对粒子/反粒子对,无论是电子/反电子对,还是两个光子(诸如光子这样的玻色子,它们是自己的反粒子),它们的自旋可以是 1/2或-1/2,不会受到限制。然而,中微子/反中微子对却会变得很奇怪。

物理学家所探测到的中微子和反中微子都具有极高的能量,这意味着它们的运动速度非常接近光速,使得无法在实验上测出它们与光速的区别。另外,所有的中微子都是“左撇子”,自旋为 1/2;所有反中微子都是“右撇子”,自旋为-1/2。物理学家没有观测到右旋中微子,也没有观测到左旋反中微子。

中微子的质量

在上个世纪很长一段时间里,中微子都被认为是一种不寻常的东西,因为物理学家认为它们完全没有质量。粒子加速器、太阳以及宇宙射线与地球大气层碰撞都会产生中微子,这一系列实验和观测揭示了难以捉摸的中微子的一个奇特性质。

实验表明,中微子或反中微子有一定概率会振荡成另一味中微子,这就是中微子振荡。这种现象发生的可能性取决于许多目前还不清楚的因素,但有一点是肯定的,只有当中微子具有质量时,这种行为才有可能发生。虽然中微子可能非常轻,但质量一定是非零的。

但遗憾的是,物理学家目前还不清楚中微子的确切质量是多少。从中微子振荡的数据中可以确定,三味中微子中至少有一味的质量不小于0.06电子伏特。另一方面,从宇宙微波背景和重子声学振荡的数据来看,三种中微子的质量小于0.17电子伏特。

中微子的最大谜团

但这会引发一个更大的问题:如果中微子和反中微子都有质量,那么,只要减慢和加快中微子的速度(如果没有质量只能以光速运动),就应该有可能把一个左旋中微子变成一个右旋粒子。

既然所有的中微子都是左旋的,而所有的反中微子都是右旋的,这是否意味着我们可以通过改变视角把一个左旋中微子变成一个右旋的反中微子呢?或者这意味着右旋中微子和左旋反中微子是存在的,但远超我们目前的探测能力?

总结

解开这些问题可以打开一扇新的物理学大门,这或许还有助于揭开另一大宇宙谜团——为什么宇宙是由物质而不是反物质构成。根据宇宙大爆炸理论,在宇宙诞生1秒时,产生了大量的中微子和反中微子。这些粒子至今还在宇宙中穿行,宇宙中微子背景辐射也许是研究中微子的关键所在。但在目前,中微子仍然是粒子物理标准模型中的最大谜团。

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