活性中微子與惰性中微子

　　普通中微子也稱作活性中微子（active neutrinos），其概念最早由奧地利理論物理學(xué)家沃夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）在1930年底提出，是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論中已經(jīng)包括了的、電中性且自旋為二分之一的費米子。它們幾乎無處不在，可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸、星系活動、超新星爆發(fā)、太陽中心和地球內(nèi)部，以及核反應(yīng)堆與粒子加速器。在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)，中微子只有左手征（而反中微子只有右手征），沒有靜止質(zhì)量，只參與弱相互作用，以光速在空間傳播。普通中微子分為電子型、繆子型和陶子型三種不同的類型，它們和各自對應(yīng)的帶電輕子共同構(gòu)成了輕子的三個家族。

　　沃夫?qū)づ堇?/p>

　　惰性中微子（sterile neutrinos）屬于尚無可靠實驗證據(jù)的假想粒子，最初是由意大利理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫（Bruno Pontecorvo）在1968年左右提出來的，指的是不參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用過程的中微子，因此通常被理解為超越標(biāo)準(zhǔn)模型三代輕子框架的新型粒子。

　　布魯諾·龐蒂科夫

　　目前在實驗和理論上廣受關(guān)注的惰性中微子按其質(zhì)量范圍大致可分為如下幾種類型：

　　1）處于電子伏（eV）左右或以下、與美國液體閃爍器中微子探測器（LSND）等中微子振蕩實驗所暗示的“反常”效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的輕惰性中微子；

　　2）處于千電子伏（keV）左右、可能的溫暗物質(zhì)的候選者；

　　溫暗物質(zhì)（WDM）是理論上性質(zhì)介于熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)之間的暗物質(zhì)，經(jīng)常以keV質(zhì)量的惰性中微子作為WDM的代表。

　　3）處于大統(tǒng)一能標(biāo)以下幾個數(shù)量級的區(qū)域、與“蹺蹺板機(jī)制”（Seesaw mechanism）和“輕子產(chǎn)生機(jī)制”（Leptogenesis mechanism）相關(guān)聯(lián)的超重惰性中微子；

　　蹺蹺板機(jī)制：一種通過引入新的重自由度來自然地壓低活性中微子質(zhì)量的理論機(jī)制。如果以電弱對稱性自發(fā)破缺的能標(biāo)作為蹺蹺板的支點，那么一端放上“重物”，另一端自然就輕飄飄地翹起來。后者即代表輕的中微子質(zhì)量。

　　輕子產(chǎn)生機(jī)制：通過“翹翹板機(jī)制”引進(jìn)的重馬約拉納中微子在宇宙早期的衰變可以導(dǎo)致宇宙空間中輕子與反輕子在數(shù)目上的不對稱，后者進(jìn)一步通過電弱反常過程轉(zhuǎn)化為重子與反重子在數(shù)目上的不對稱，其中重子略多于反重子。隨著宇宙的膨脹和冷卻以及物質(zhì)與反物質(zhì)粒子的成對湮滅，最終遺留下來的重子成為構(gòu)成今天的物質(zhì)世界的種子。這一理論機(jī)制就是解釋當(dāng)今宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象的“輕子產(chǎn)生機(jī)制”，它使得中微子在宇宙學(xué)中的角色更加重要。

　　4）從千兆電子伏（GeV）到萬億電子伏（TeV）這一可被大型強子對撞機(jī)以及較低能加速器搜尋的能區(qū)、但缺乏明確理論預(yù)言或?qū)嶒灠凳镜奈粗栊灾形⒆印?/p>

　　宇宙空間中是否真的存在惰性中微子？假如存在，它們有幾種不同的類型？它們與普通中微子有微小的混合效應(yīng)嗎？諸如此類的問題至今尚無明確的答案。

　　mass與flavor本征態(tài)

　　值得特別注意的是，不論活性中微子還是惰性中微子都有質(zhì)量（mass）本征態(tài)和味道（flavor）本征態(tài)之分。mass本征態(tài)描述的是中微子作為自由粒子運動時所處的狀態(tài)，而flavor本征態(tài)描述的是中微子參與弱相互作用時所處的狀態(tài)。倘若中微子沒有質(zhì)量（或者它們的質(zhì)量完全簡并），兩者其實是等價的。但自1998年以來一系列與大氣、太陽、反應(yīng)堆和加速器相關(guān)的振蕩實驗表明，普通中微子其實具有微小的質(zhì)量，而且它們的質(zhì)量態(tài)與相互作用態(tài)之間存在較大的不匹配——后者通常用包含較大混合角的中微子混合矩陣來表述。

　　既然中微子的質(zhì)量態(tài)不同于它們的相互作用態(tài)，那么當(dāng)我們說到右手中微子的時候，指的是具有右手征的質(zhì)量態(tài)，還是具有右手征的相互作用態(tài)呢？這一點常常讓很多人感到困擾。

　　為了讓標(biāo)準(zhǔn)模型中的普通中微子獲得有限的質(zhì)量，一個最簡單的辦法就是引入右手中微子場（電弱SU(2)群的單態(tài)），與已有的左手中微子場以及希格斯場搭配構(gòu)成湯川（Yukawa）相互作用項，后者在希格斯場獲得真空期望值后就蛻變成中微子質(zhì)量項，即通常所謂的狄拉克（Dirac）型中微子質(zhì)量項。中微子一旦獲得了有限的質(zhì)量，那么它一定同時具有左手征和右手征，但只有左手征的場參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用。因此諸如“很重的右手中微子”和“很輕的左手中微子”的表述，都是不夠準(zhǔn)確的。換句話說，中微子的輕重與它們的手征是左手還是右手沒有關(guān)系。

　　保羅·狄拉克

　　人們在研究惰性中微子時，通常都假設(shè)它們與普通中微子有微小的混合效應(yīng)，否則它們的存在就無法在弱作用過程中體現(xiàn)出來，而只能通過引力效應(yīng)表現(xiàn)了，但引力效應(yīng)卻無法告知相關(guān)粒子的非引力特性。惰性與活性中微子的有限混合意味著活性中微子的味道態(tài)是它們的質(zhì)量態(tài)與惰性中微子的質(zhì)量態(tài)的線性疊加態(tài)，于是惰性中微子就可以通過與活性中微子的“混合”關(guān)系，間接地參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用過程，并由此影響后者的相關(guān)可探測量。例如，一旦某一活性中微子味道本征態(tài)振蕩到實驗上無法測量的惰性中微子味道本征態(tài)，那么遠(yuǎn)點探測器所測量到的活性中微子的總通量就會小于不存在惰性中微子時的理論預(yù)期，從而在實驗數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為某種“反常”。

　　惰性中微子 ≠ 右手中微子

　　既然惰性中微子有質(zhì)量，它們當(dāng)然同時具有左右手征，因此那種認(rèn)為惰性中微子就是右手中微子的說法，是有問題的；反過來，把右手中微子看作惰性中微子，也是不準(zhǔn)確的。嚴(yán)格說來，“右手中微子”指的中微子的右手態(tài)，而“惰性中微子”可能指的是質(zhì)量態(tài)，也可能指的是相互作用態(tài)。

　　如果在討論的時候?qū)唧w概念不加以限制和澄清，則很容易導(dǎo)致誤解。比如在第一類“蹺蹺板”機(jī)制中，重的惰性中微子的左手態(tài)也會與帶電輕子發(fā)生帶電流反應(yīng)，只不過相應(yīng)的耦合系數(shù)非常小而已。同理，輕的惰性中微子的左手態(tài)具有類似的特點。注意，這里我們在提及惰性中微子時，已經(jīng)使用了“輕的”或者“重的”修飾語，意味著我們其實討論的是質(zhì)量本征態(tài)。

　　其實通過“蹺蹺板”機(jī)制所產(chǎn)生的中微子質(zhì)量項，是馬約拉納（Majorana）質(zhì)量項，或者說對應(yīng)的中微子是馬約拉納中微子。與狄拉克中微子不同，馬約拉納中微子的反粒子就是它自身——這一表述的前提是中微子處于質(zhì)量本征態(tài)，即具有確定的質(zhì)量的粒子態(tài)。鑒于此，人們無法為馬約拉納中微子定義確定的輕子數(shù)（lepton number），否則將導(dǎo)致中微子的輕子數(shù)（＋1）等于反中微子的輕子數(shù)（-1）的荒唐結(jié)果。換句話說，馬約拉納中微子破壞輕子數(shù)，因此它們可以傳遞諸如無中微子的雙貝塔衰變等稀有過程，這些過程是探測中微子的馬約拉納屬性的最現(xiàn)實的實驗窗口。

　　馬約拉納

　　普林斯頓高等研究院的保羅·朗伽克（Paul Langacker）教授曾指出，惰性中微子經(jīng)常被稱作右手中微子，這種叫法當(dāng)涉及馬約拉納質(zhì)量時是令人困惑而且不合適的。原因很簡單，活性中微子場的左手態(tài)的電荷共軛其實具有右手征，故而該左手征的場及其電荷共軛的場就可以構(gòu)成一個馬約拉納質(zhì)量項，但這里的右手中微子“場”其實來自左手中微子“場”的電荷共軛，所以并非惰性的！

　　總結(jié)一下，容易造成誤解的主要原因是在文獻(xiàn)和口語表述中人們往往省略、忽略或者混淆了“中微子”（粒子）與“中微子場”的區(qū)別，或者“質(zhì)量本征態(tài)”與“味道本征態(tài)”的區(qū)別。尤其要注意的是，即便是通常所說的“活性”中微子，它們的“右手”場在狄拉克情形也是“惰性”的。

　　作者感謝與周順和李玉峰兩位專家的有益討論。

　　2017年8月12日，邢志忠。