关于中微子的许多悬而未决的问题之一,即它们究竟是如何获得质量的。粒子物理学的标准模型并没有给出答案。许多解释小质量中微子的理论也预测了未被发现的粒子存在,因此检验这些理论的一种方法就是寻找那些粒子。
以希格斯场的方式获得质量
大多数基本粒子,像夸克和轻子,都是通过与希格斯场的相互作用而获得质量的。一些粒子,如大质量的顶夸克,与希格斯场的相互作用更多,而其他粒子,如轻电子,相互作用则较少。
如果中微子从希格斯场获得质量,它们与希格斯场的相互作用程度似乎比电子还要小,甚至小得多;中微子的质量大约轻一百万倍。
仅这一点就让科学家们感到奇怪,他们想搞清楚,中微子是否只从希格斯粒子获得质量,还是另有原因。
当粒子与希格斯场相互作用时,希格斯场会改变该粒子的“手性”,一种对其自旋和运动的测量方法。当一个“右手”电子与希格斯场相互作用时,它就变成了左手电子。当一个“左手”电子与希格斯场相互作用时,会发生相反的情况。
但据科学家的测量结果,所有的中微子都是“左手”的。
似乎还有别的事情在发生,物理学家对此有几十种理论解释。
“这是富有的尴尬,”匹兹堡大学的理论物理学家陶汉表示,"我们有许多理论,但我们还不知道哪一种能真正反映的了‘自然’"。
要得到一个新粒子,使用跷跷板
或许最简单的解释就是右手中微子确实存在;只是科学家还没有发现它们。
这个解释的复杂之处在于,这些右手中微子需要与我们所知的中微子有很大不同。尽管中微子几乎没有质量,但右手中微子可能需要比最重的基本粒子顶夸克的质量大得多。
对此的解释被称为“跷跷板机制”,因为它预测了重的右手中微子是左手中微子如此轻的原因,也就是右手中微子压住了跷跷板的一边。这一切都归结到物理学家所谓的特征值的数学问题上,这是系统行为的一种属性。跷跷板模型提出中微子有两个特征值,如果一个很小,那么另一个必须很大来补偿。
物理学家已经提出了这种机制的许多版本和变体。其中之一是,右手中微子会如此之重,以至于它只能在早期宇宙中产生,那时一切都充满了足够的能量,足以使电磁力、弱力和强力合而为一。
事实上,将这些力统一起来的理论——大统一理论,已经预言了右手中微子的存在。这种内因推理吸引了像陈慕春这样的理论物理学家。加州大学欧文分校的陈教授认为,“这就解释了为什么右手中微子的质量一定很重,并且与大统一理论的尺度相联系。这是非常优雅的" 。
跷跷板机制的第二个版本也预测了一种新的希格斯玻色子,这将允许左手中微子耦合到自身,并间接与新的希格斯粒子相互作用以获得质量。这种新的希格斯粒子会重得多,就像跷跷板的另一端。这种理论对陶汉很有吸引力,因为希格斯玻色子“仍然是未知的”。
"为什么我们只有一个负责产生质量的粒子?"他这样说,“最轻的粒子和最重的粒子之间有十五个数量级。我认为希格斯场比我们迄今看到的还要多。”
跷跷板机制的第三个版本预测了一组新的其他大质量粒子,它们将抵消低质量的中微子。物理学家已经开发出结合了这三者的模型,以及其他类似“反向”和“双重”跷跷板的变体。
并非每个人都赞同这些想法。一个问题是,预测的粒子是如此巨大,物理学家还不知道如何建造一个足够强大的粒子加速器来研究它们。弗吉尼亚理工大学的理论物理学家帕特里克·哈贝尔表示:“跷跷板机制以一种儿童玩具命名很恰当。这是一个很难检验和证明理论的经典例子" 。
另一个问题是,所有的跷跷板模型都预测中微子是它自己的反粒子。到目前为止,科学家们还没有看到证据证明这是真的。如果是的话,它将打破另一个被称为轻子数守恒的物理学定律。
需要检查每一个地方,并提出正确的问题
并不是每一个解释小质量中微子的理论都与跷跷板相关。另一个被称为“辐射质量生成”的理论提出,中微子通过虚拟粒子的量子效应获得质量。但是辐射质量的产生也需要新粒子的存在才能起作用。
到目前为止,还没有实验数据与这些模型直接相关。美国能源部费米国家加速器实验室的理论物理学家佩德罗·马查多表示:“中微子质量的物理学就像暗物质的物理学一样,在某种意义上我们几乎不知道暗物质是什么。当谈到中微子质量模型时,受欢迎程度并不是一个论据。从数据的角度来看,所有可行的模型都是同样好的。"
也就是说,物理学家需要更多的数据。“中微子理论在预测任何事情方面都有糟糕的记录,”胡伯表示,“但我们即将进入一个精确测量中微子的时代,这可能是一个寻找新物理学的探测器。如果一项测量证实了一个理论,对于提出这个理论的人来说是令人兴奋的。但如果一项实验发现了一些没人预测到的东西,那会让每个人都兴奋不已。”
世界各地的物理实验都在试图了解中微子及其质量,也许,找到一种新粒子的迹象,可以帮助解释这一切。
马查多表示:“既然有这么多的可能性,最有用的事情就是广撒网,尽可能多地考虑不同的可能性”。
他认为,如果这个解释最终推动物理学超越了我们目前的理解,“那么这就是我们一直在等待的”。