中微子，开启通向新物理学的大门

中微子，开启通向新物理学的大门

（文/Robert Adler）

“王冠下的脑袋总是难以安稳，”莎士比亚的这句话，同样可以送给今天粒子物理学的标准模型。这是迄今为止对物质基元及其相互作用最为成功的描述。最近找到的非常类似希格斯玻色子的粒子，让这个理论更加冠冕堂皇，因为这不仅证实了一个近40年之前的预言，而且填补了这个理论最后的空白。不过我们并未就此满足，反倒更为迫切地希望将标准模型拉下马来，去寻找那些最终必然超越它的崭新物理篇章。

“标准模型就是粒子物理学，”诺贝尔奖得主杰克·施泰因贝格（Jack Steinberger）说，“但很多问题目前仍无望回答。”这些问题包括暗物质的本质，即这种据信占据宇宙80%质量的神秘不可见物质究竟什么？然后还有暗能量，它被认为是宇宙加速膨胀的推手，而粒子物理学家将它的强度高估了10^120倍，可谓错得前无古人后无来者。标准模型还无法回答物质如何逃脱大爆炸，如何将引力纳入其中。

不仅如此，它还备受所谓“自由参数”（free parameter）的困扰，这些数值不能由标准模型自身得到，必须人为放进模型中，而且数值也是任意确定的，比如对模型内相互作用强度的设定就是如此。消解这些难题需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩，也许通向标准模型之外的物理新世界的钥匙并不在它身上，而藏身于另一种粒子：中微子。

2011年9月，中微子曾一度街知巷闻，当时深埋于意大利大萨索山山体下的OPERA实验项目宣称，测量出中微子的传播速度超过光速，直接违背了爱因斯坦的狭义相对论。6个月之后，这个结果被证实源自实验本身的一处差错。即便闹了乌龙，这些让人着迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我们去发现。中微子如幽灵一般，不但神秘而且孤僻，因为它们几乎不与周围的物质世界发生相互作用。

有关中微子的这些谜团都超出了标准模型的能力之外。我们目前知道3种中微子，它们看上去井井有条，分别和电子及电子的两个更重的表亲——μ子和τ子组成一对，构成完整的轻子家族。但一开始，标准模型就错误地假设，中微子的质量为0，而且直到今天都无法在模型框架内确定中微子的质量。因此，标准模型也没能预见到中微子能在3种形态之间来回变化，更别说存在更多种中微子的可能性了。

很多新的理论希望填补这些缺陷，这其中包括大统一理论、超对称和弦论。它们当中的某一个，或许解释中微子为何如此奇异，从而拔得头筹。反过来，中微子本身则会告诉我们，哪个理论才是众望所归。尽管超然于世外，中微子在物理学史上一直有着救场粒子的美名。著名物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）当初构想出这些粒子，就是为了挽救β辐射中能量和动量的守恒。

最近，中微子又在解释宇宙中的物质为何远远多于反物质的努力中充当起了先锋，用美国弗吉尼亚理工大学理论物理学家帕特里克·胡贝尔（Patrick Huber）的话来说，“中微子能让你进入另一个世界，原因很简单，它跟我们这个可见的世界几乎没有多大的相互作用”。