何为中微子振荡，为什么说中微子有质量呢？

每一次我们遇到困难的时候，我们应该感谢大自然母亲，因为这意味着我们将要学到一些重要的知识。约翰?巴赫

中微子难以捕捉、无处不在的性质，让它博得了?幽灵粒子?的称号，人们首次在核反应中发现中微子以后，一直认为其为0质量粒子，但后来太阳中微子的消失之谜，也称为太阳中微子振荡问题预示着标准模型预测的错误。今天我们就说下，何为中微子振荡？为什么说中微子有质量呢？

当然，这要从我们头顶的太阳说起

当我们仰望天空中那颗赋予生命的炽热等离子球时，你可能会想，到底是什么在驱动着太阳。

在19世纪后期，我们所知道的基本力有万有引力和电磁力，而对核力的理解仍然相当匮乏。放射性和核嬗变的现象刚刚被人们发现，因此当时想解释为什么太阳会如此强烈地、如此长时间地发光，完全是建立在不充分的假设之上的。

当时对于太阳的寿命，最好的估计来自开尔文勋爵，他认为在长时间内，唯一能让太阳发出如此巨大能量的力就是引力。引力收缩可以让太阳在1000万年的时间尺度上提供巨大的能量输出。但是，鉴于生物学家或地质学家对地球上丰富的生命化石或岩石等特征的年龄了解，发现这样估计出来的太阳年龄严重不足的，可以肯定的是，太阳肯定不会比地球还年轻！

在宇宙中，确实有一些物体是由开尔文-赫尔姆霍兹机制驱动的，它们通过引力收缩来释放能量：白矮星。但这些并不能代表我们太阳系中心的恒星。

直到20世纪，人们发现了质量可以通过核反应等过程转化为能量，我们才对太阳（和恒星）如此长时间地燃烧有了一个合理的解释。通过核聚变的过程，轻元素（如氢）被转化为重元素（如氦），在这个过程中会释放出大量的能量！

天狼星A (L）是一颗正在经历核聚变的恒星；天狼星B (R）是一颗正在经历开尔文-赫尔姆霍兹机制收缩的白矮星。

太阳的核聚变会释放电子中微子

在其45亿年的生命周期中，太阳通过E = mc^2将近10^29千克的氢转化为氦，从而将一个土星的质量转化为了纯能量。尽管认识太阳是一个困难的过程，但我们认为现在已经搞清楚了核物理是如何工作的。

在大约400万开尔文的温度下，所有的原子都会被电离，只要能量足够高，恒星核心的两个质子可以克服它们相互之间的静电斥力，使它们足够接近，从而有可能融合在一起。这要归功于量子力学，使粒子的波函数可以足够好的重叠，所以两个粒子才能被束缚成更重的状态。然后双质子经历?＋衰变就产生了氘，它是由质子和中子结合在一起构成的。

氘比两个氢轻一点，在?＋衰变的过程中会产生另外两个粒子：一个正电子，用来保持电荷守恒，一个电子中微子，用来保持轻子数守恒。

然后两个氘可以通过链式反应融合在一起，形成氦-3和氦-4，这是地球上（以及恒星中）最常见的氦同位素。总之这个过程就是四个氢原子融合产生一个氦原子、两个正电子和两个电子中微子。虽然核聚变反应通过E = mc^2释放的能量（以及与电子湮灭以产生更多高能量光子的正电子）是恒星的能量的来源，但中微子本身会从太阳中逃逸。它们中的一些会达到地球。这就是问题开始的地方。

太阳中微子消失之谜

在20世纪50年代，我们首次从核反应堆中探测到了中微子（以及它们的反物质对应物：反中微子）。

当人们发现中微子确实存在，而且它们携带着大量的能量时，我们学到了两件重要的事情：

中微子的反应横截面，或者说它与普通物质相互作用的频率，既依赖于能量又非常小，但可以测量，而且如果我们为中微子建立一个探测器，并知道它们的通量和能量，我们应该能够准确地预测相互作用速率。

这似乎是一场完美的风暴！我们知道太阳的物理学以及核反应是如何发生的。我们知道中微子，它们的横截面是什么，以及横截面如何作为能量的函数。我们甚至相信我们有一个很好的太阳内部模型以及它产生中微子的性质。

在20世纪60年代，当人们第一次测量来自太阳的中微子流时，结果只探测到了理论预期三分之一的中微子，那剩下的中微子去哪了？许多疯狂的猜测层出不穷，其中包括一些非常合理的想法：

也许关于太阳内部的模型是错误的，中微子流以不同于我们所寻找的能量出现。也许我们对中微子探测的理解以及反应横截面如何随能量变化，与实际情况有所不同。或者，就中微子而言，可能存在一些新的物理现象。

然而，随着我们对高能物理理解的提高，特别是我们对恒星和太阳理解的提高，以及我们对中微子及其性质和探测理解的提高，似乎真的需要一些新的物理来解决这个问题。我们开始建造非常大的中微子天文台，同样的问题（来自太阳的中微子只有三分之一到达我们的探测器）仍然存在。

太阳中微子振荡

你看，中微子是标准模型中相互作用最弱的粒子之一。它们是稳定的，只通过弱力相互作用，它们没有电荷也不散射光。在很长一段时间里，人们认为中微子零质量。

如果我们看标准模型，就会发现其中不仅仅只有一种中微子。

正如带电的轻子有三种类型：电子、?子和?子，中微子也有三种类型：电子中微子、?子中微子和?子中微子。如果中微子彼此完全不同，而且完全没有质量，那么生下来是一个电子中微子，死的时候也会是一个电子中微子，永远不会变成其他任何东西。

如果中微子具有质量，那么它们就有可能与太阳中的物质（特别是电子）相互作用，从而改变味道，从电子到?子再到?子，然后再变回来。

就像光在通过介质时发生折射一样，光弯曲取决于波长和介质中不同的光速，中微子在介质中的表现就好像它们的质量取决于介质的密度。当离开太阳的核心时，太阳的电子密度会发生迅速的变化，这种效应，被称为太阳中微子振荡，导致了中微子的口味发生了变化。虽然中微子一开始都是太阳内部的电子中微子，但当它们到达光球层时，这三种中微子已经混合得很好了，其中大约有三分之一是电子中微子，三分之一是?子中微子，还有三分之一是?子中微子。

总结：中微子质量预示着新的物理学

直到21世纪初，萨德伯里中微子天文台(上图)通过散射效应测量出了来自太阳的中微子通量总量，同时也测量出了来自太阳的电子中微子通量，并确定了34%的中微子是电子中微子，其余的三分之二被分成了两类。随后，对大气中微子的测量让我们对中微子振荡有了更多的了解，而这些难以捉摸的粒子在太空中穿行时从一种类型转换成另一种类型的能力，是对标准模型之外可能存在的新物理现象最有说服力的暗示之一。

为什么中微子有质量？还有什么新的基本粒子存在使这一切成为可能呢？这些是新的圣杯问题：这些问题将真正把粒子物理学带入第三个千年，并最终超越标准模型。