中微子|一个中微子有多重?这个问题比看起来更复杂

六十年前 , 人类首次发现了一种基本粒子:中微子 。 多年来 , 科学家们已经了解了一些关于这类粒子令人惊讶的事情 。 但他们还没有回答一个看似基本的问题:中微子有多重?而这个答案可能是我们理解奇怪粒子与宇宙本质的关键 。 想了解为什么弄清楚中微子的质量如此困难 , 首先必须知道描述中微子的方法不止一种 。
中微子有三种“味道”:电子型、缪子型和陶子型 。 当一个中微子撞击中微子探测器时 , 会产生一个电子 , 或者缪子 , 或者陶子 。 当你捕捉到一个伴随着电子的中微子时 , 你就可以称它为电子中微子 , 依此类推 。 知道了这一点 , 您可能会认为存在三种类型的中微子:电子中微子、缪子中微子和陶子中微子 。 但这并不完全正确 。 那是因为每种中微子实际上是这三种类型中微子量子态的叠加 。 取决于中微子的能量以及你在它飞行过程中的何处捕获它 , 它有不同的可能性表现为电子中微子、缪子中微子和陶子中微子 。
有了这个更深入的理解后 , 你可能会认为 , 当一切都说完后 , 实际上只有一种类型的中微子 。 但这更不正确 。 毕竟 , 科学家们可以数出三种类型的中微子 , 每种都有不同的质量 , 是这三种中微子味道的不同混合物 。 这些中微子类型被称为三种中微子质量态 。

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Vol.1
一个质量相关的问题
我们知道这三种中微子的质量都很小 。 第一种中微子质量态的味道混合物中以电子中微子为主 。 第二种更像是电子、缪子和陶子三种中微子的均匀混合 。 第三种主要是缪子和陶子中微子的混合 。
我们知道前两种类型中微子的质量很接近 , 而第三种不同 。 我们不能确定第三种中微子比另两种更轻还是更重 。 第三种中微子是最重还是最轻问题被称为中微子质量等级(或中微子质量顺序)问题 。

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像 1,2,3 一样简单——还是 3,1,2?
有些统一粒子物理学标准模型中不同力的模型预测 , 中微子质量顺序将遵循模式 1、2、3——他们称之为正常等级 。 其他一些模型预测质量顺序将遵循模式 3、1、2——一个倒置的等级结构 。 了解等级是正常的还是倒置的可以帮助理论家回答其他问题 。 例如 , 四种力——强、弱、电磁和万有引力——支配着最小的物质组成部分的相互作用 。 一些理论家认为 , 在早期的宇宙中 , 这四种力统一为一种力 。 大多数关于力的统一理论都预测了正常的中微子质量等级 。
目前 , 科学家们研究中微子质量等级的最佳工具是长基线中微子实验 , 最著名的是一个称为 NOvA 的实验 。

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电子拖曳
NOvA 探测器位于加拿大边境附近的明尼苏达州 , 研究源自伊利诺伊州费米国家加速器实验室的中微子束流 。 中微子很少与其他物质相互作用 。 这意味着它们可以在地下直接穿过500英里 , 从源头到达探测器 。 事实上这很重要 , 因为当它们旅行时 , 它们会经过成万亿的电子 。 这会影响电子味中微子——而且仅仅影响电子味中微子——使它们看起来更重 。 由于第一种和第二种质量态比第三种含有更多的电子味道 , 因此当它们穿过地球时 , 这两种质量状态的中微子会经历最强的电子相互作用 。 这种相互作用对中微子和反中微子有不同的影响——这种影响取决于质量等级 。 如果是正质量等级 , 缪子中微子将更有可能变成电子中微子 , 而缪子反中微子变成电子反中微子的可能性更小 。 如果是倒质量等级 , 则会发生相反的情况 。
因此 , 如果 NOvA 的科学家发现 , 在穿越数百英里的岩石和泥土后 , 比预期更多的缪子中微子和更少的缪子反中微子改变了味道 , 就表明质量等级是正的 。 如果他们看到更少的缪子中微子和更多的缪子反中微子 , 就是质量等级倒置的迹象 。
这种变化是微小的 , 需要数年的数据收集才能得到答案的首个线索 。 另一个较短的长基线中微子实验 T2K也正在进行相关测量 。 中国正在建设的江门中微子实验(JUNO)旨在以另一种方法测量中微子质量等级 。 也许要等到下一代长基线实验 , 即美国的沙丘实验(DUNE) 和日本的顶级神冈实验(Hyper-Kamiokande) , 我们才能做出确定性的测量 。

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中微子是宇宙中数量最多的粒子之一 。 随着我们慢慢揭开它们的秘密 , 它们将为我们提供更多有关宇宙如何运作的线索 。
原文 | Kathryn Jepsen
翻译 | 果酱
审校 | 曹俊 研究员
编辑 |蛋挞
网址:
https://www.symmetrymagazine.org/article/how-heavy-is-a-neutrino
【中微子|一个中微子有多重?这个问题比看起来更复杂】来源:中科院高能所
编辑:zhenni
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