關(guān)于中微子的許多懸而未決的問(wèn)題之一，即它們究竟是如何獲得質(zhì)量的。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型并沒(méi)有給出答案。許多解釋小質(zhì)量中微子的理論也預(yù)測(cè)了未被發(fā)現(xiàn)的粒子存在，因此檢驗(yàn)這些理論的一種方法就是尋找那些粒子。
以希格斯場(chǎng)的方式獲得質(zhì)量
大多數(shù)基本粒子,像夸克和輕子,都是通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得質(zhì)量的。一些粒子，如大質(zhì)量的頂夸克，與希格斯場(chǎng)的相互作用更多，而其他粒子，如輕電子，相互作用則較少。
如果中微子從希格斯場(chǎng)獲得質(zhì)量，它們與希格斯場(chǎng)的相互作用程度似乎比電子還要小，甚至小得多;中微子的質(zhì)量大約輕一百萬(wàn)倍。
僅這一點(diǎn)就讓科學(xué)家們感到奇怪，他們想搞清楚，中微子是否只從希格斯粒子獲得質(zhì)量，還是另有原因。
當(dāng)粒子與希格斯場(chǎng)相互作用時(shí)，希格斯場(chǎng)會(huì)改變?cè)摿Ｗ拥?ldquo;手性”,一種對(duì)其自旋和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量方法。當(dāng)一個(gè)“右手”電子與希格斯場(chǎng)相互作用時(shí)，它就變成了左手電子。當(dāng)一個(gè)“左手”電子與希格斯場(chǎng)相互作用時(shí)，會(huì)發(fā)生相反的情況。
但據(jù)科學(xué)家的測(cè)量結(jié)果，所有的中微子都是“左手”的。
似乎還有別的事情在發(fā)生，物理學(xué)家對(duì)此有幾十種理論解釋。
“這是富有的尷尬，”匹茲堡大學(xué)的理論物理學(xué)家陶漢表示，"我們有許多理論，但我們還不知道哪一種能真正反映的了‘自然’"。
要得到一個(gè)新粒子，使用蹺蹺板
或許最簡(jiǎn)單的解釋就是右手中微子確實(shí)存在;只是科學(xué)家還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們。
這個(gè)解釋的復(fù)雜之處在于，這些右手中微子需要與我們所知的中微子有很大不同。盡管中微子幾乎沒(méi)有質(zhì)量，但右手中微子可能需要比最重的基本粒子頂夸克的質(zhì)量大得多。
對(duì)此的解釋被稱(chēng)為“蹺蹺板機(jī)制”，因?yàn)樗A(yù)測(cè)了重的右手中微子是左手中微子如此輕的原因，也就是右手中微子壓住了蹺蹺板的一邊。這一切都?xì)w結(jié)到物理學(xué)家所謂的特征值的數(shù)學(xué)問(wèn)題上，這是系統(tǒng)行為的一種屬性。蹺蹺板模型提出中微子有兩個(gè)特征值，如果一個(gè)很小，那么另一個(gè)必須很大來(lái)補(bǔ)償。
物理學(xué)家已經(jīng)提出了這種機(jī)制的許多版本和變體。其中之一是，右手中微子會(huì)如此之重，以至于它只能在早期宇宙中產(chǎn)生，那時(shí)一切都充滿(mǎn)了足夠的能量，足以使電磁力、弱力和強(qiáng)力合而為一。
事實(shí)上，將這些力統(tǒng)一起來(lái)的理論——大統(tǒng)一理論，已經(jīng)預(yù)言了右手中微子的存在。這種內(nèi)因推理吸引了像陳慕春這樣的理論物理學(xué)家。加州大學(xué)歐文分校的陳教授認(rèn)為，“這就解釋了為什么右手中微子的質(zhì)量一定很重，并且與大統(tǒng)一理論的尺度相聯(lián)系。這是非常優(yōu)雅的" 。
蹺蹺板機(jī)制的第二個(gè)版本也預(yù)測(cè)了一種新的希格斯玻色子，這將允許左手中微子耦合到自身，并間接與新的希格斯粒子相互作用以獲得質(zhì)量。這種新的希格斯粒子會(huì)重得多，就像蹺蹺板的另一端。這種理論對(duì)陶漢很有吸引力，因?yàn)橄８袼共Ｉ?ldquo;仍然是未知的”。
"為什么我們只有一個(gè)負(fù)責(zé)產(chǎn)生質(zhì)量的粒子?"他這樣說(shuō)，“最輕的粒子和最重的粒子之間有十五個(gè)數(shù)量級(jí)。我認(rèn)為希格斯場(chǎng)比我們迄今看到的還要多。”
蹺蹺板機(jī)制的第三個(gè)版本預(yù)測(cè)了一組新的其他大質(zhì)量粒子，它們將抵消低質(zhì)量的中微子。物理學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出結(jié)合了這三者的模型，以及其他類(lèi)似“反向”和“雙重”蹺蹺板的變體。
并非每個(gè)人都贊同這些想法。一個(gè)問(wèn)題是，預(yù)測(cè)的粒子是如此巨大，物理學(xué)家還不知道如何建造一個(gè)足夠強(qiáng)大的粒子加速器來(lái)研究它們。弗吉尼亞理工大學(xué)的理論物理學(xué)家帕特里克·哈貝爾表示:“蹺蹺板機(jī)制以一種兒童玩具命名很恰當(dāng)。這是一個(gè)很難檢驗(yàn)和證明理論的經(jīng)典例子" 。
另一個(gè)問(wèn)題是，所有的蹺蹺板模型都預(yù)測(cè)中微子是它自己的反粒子。到目前為止，科學(xué)家們還沒(méi)有看到證據(jù)證明這是真的。如果是的話(huà)，它將打破另一個(gè)被稱(chēng)為輕子數(shù)守恒的物理學(xué)定律。
需要檢查每一個(gè)地方，并提出正確的問(wèn)題
并不是每一個(gè)解釋小質(zhì)量中微子的理論都與蹺蹺板相關(guān)。另一個(gè)被稱(chēng)為“輻射質(zhì)量生成”的理論提出，中微子通過(guò)虛擬粒子的量子效應(yīng)獲得質(zhì)量。但是輻射質(zhì)量的產(chǎn)生也需要新粒子的存在才能起作用。
到目前為止，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與這些模型直接相關(guān)。美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家佩德羅·馬查多表示:“中微子質(zhì)量的物理學(xué)就像暗物質(zhì)的物理學(xué)一樣，在某種意義上我們幾乎不知道暗物質(zhì)是什么。當(dāng)談到中微子質(zhì)量模型時(shí)，受歡迎程度并不是一個(gè)論據(jù)。從數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，所有可行的模型都是同樣好的。"
也就是說(shuō)，物理學(xué)家需要更多的數(shù)據(jù)。“中微子理論在預(yù)測(cè)任何事情方面都有糟糕的記錄，”胡伯表示，“但我們即將進(jìn)入一個(gè)精確測(cè)量中微子的時(shí)代，這可能是一個(gè)尋找新物理學(xué)的探測(cè)器。如果一項(xiàng)測(cè)量證實(shí)了一個(gè)理論，對(duì)于提出這個(gè)理論的人來(lái)說(shuō)是令人興奮的。但如果一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些沒(méi)人預(yù)測(cè)到的東西，那會(huì)讓每個(gè)人都興奮不已。”
世界各地的物理實(shí)驗(yàn)都在試圖了解中微子及其質(zhì)量，也許，找到一種新粒子的跡象，可以幫助解釋這一切。
馬查多表示:“既然有這么多的可能性，最有用的事情就是廣撒網(wǎng)，盡可能多地考慮不同的可能性”。
他認(rèn)為，如果這個(gè)解釋最終推動(dòng)物理學(xué)超越了我們目前的理解，“那么這就是我們一直在等待的”。
