中微子的种类

中微子的种类

现在让我们来研究一下有关μ子蜕变的一些细节，因为这中间还涉及守恒定律方面存在的问题。假定一个μ子蜕变成一个电子和一个反中微子，在此过程中电荷和动量是守恒的，但是角动量并不守恒。μ子的自旋为＋1/2或-1/2，电子和反中微子也一样。一个电子和一个反中微子加在一起，总的自旋为＋1、0或-1，具体取决于它们各自自旋的符号。两者的总自旋不可能是＋1/2或-1/2。

那么为什么即使考虑了反中微子，μ子的蜕变似乎仍然违背了角动量守恒定律，而中子蜕变时情况却不是这样呢？这是因为中子蜕变时转换成3个粒子——质子、电子和反中微子——3个半整数加起来的总和当然还是半整数。而μ子的蜕变就像我们所说的那样，只产生2个粒子——电子和反中微子——而2个半整数相加的结果只能是整数，永远不可能是半整数。换句话说，根据μ子的蜕变情况，我们必须假定它也产生3个粒子——也许是1个电子和2个反中微子。

不幸的是，这并不一定意味着就能满足守恒的要求。因为μ子的轻子数为＋1，电子和反中微子的轻子数也都为＋1，因此开始时的轻子数为＋1，结束时为＋2，这违反了轻子数守恒定律。如果再加上第二个反中微子，那么开始时为＋1，结束时为＋3，仍然是错的。然而，如果假定一个μ子蜕变成一个电子、一个反中微子和一个中微子，而中微子的轻子数为-1，那么这时产生的3个粒子的轻子数分别为＋1、＋1和-1，其总和为＋1，与原μ子的轻子数相同。那么如果我们假定一个μ子蜕变成一个电子并同时产生一个反中微子和一个中微子，这时所有的守恒定律都满足了。

这该是皆大喜欢的结局了吗？是的，不过还有一个小问题。在发现μ子之前，物理学家们在所有产生中微子的相互作用中观测到的结果，都是要么产生中微子要么产生反中微子。而μ子的蜕变却非常奇怪，因为它同时形成一个中微子和一个反中微子。

那么是否有可能存在两种类型的中微子呢？是否有可能电子产生一种中微子，而μ子产生另一种中微子，因而分别叫做电子型中微子（及其反中微子)和μ子型中微子（及其反中微子)呢？会不会当μ子蜕变成电子时，μ子和电子各自产生一个不同的中微子，而由此造成μ子蜕变时包含2个中微子呢？这就是所谓的双中微子问题。

假如电子型中微子和μ子型中微子的性质不同，那必定是因为它们具有某些不同的特性——但是物理学家们从未发现过任何不同。研究μ子产生的中微子甚至比研究电子产生的中微子更加困难，但是物理学家所能告诉你的就是这两种类型的中微子是相同的，它们的电荷均为0，质量均为0，自旋均为＋1/2或-1/2等等。

这样就解决问题了吗？当然没有。也许是在科学家从来也没有想到过的某个方面还存在着差别，因而就算有这种测量装置，科学家们也从来没有想到要对它们进行测定。

不过，假如我们不能直接找出任何差别，也许可以通过让粒子自己进行判别，从而间接地找出答案。例如，假定一个由电子产生的中微子遇到了一个由μ子产生的中微子，如果它们在所有的方面都相同，只是呈镜像对称，那么它们应该会相互湮没，并产生一个微小的脉冲能量。如果它们除了镜像对称外，还存在任何其他方面的差别，它们就不会发生相互湮没。如果没有发生相互湮没，这些粒子会觉察到它们之间的差别，这就很好办了。即使我们不知道差别的具体内容，我们也能从它们的反应中得知存在着差别。

然而，中微子出现的那个瞬间实在太短，两个没有反应的粒子相遇的机会几乎等于0。即使它们能相遇，产生的能量也实在太小，根本不可能被观测到。不过，还有另外一种方法可以让中微子显现它们的属性。如果电子只能产生电子型中微子，μ子只能产生μ子型中微子，而且假如相互作用可以逆转，那么电子型中微子生成的产物只应是电子，而μ子型中微子生成的产物只应是μ子。那么，如果两种中微子是完全相同的，则它们应产生相等数量的电子和μ子。

1961年，由美国物理学家莱德曼（Leon Max Lederman，1922—　)领导的一个研究小组进行了这样的实验。他们使高能质子猛撞金属铍，从而产生了大量粒子。在这些粒子中有一部分是高能μ子，它们蜕变时会产生高能μ子型中微子。然后再让这个由各种粒子组成的大混合体猛撞12米厚的钢板，除了中微子外，所有其他粒子都被钢板吸收了（中微子能穿过任何东西)。在钢板的另一侧，他们使高能μ子型中微子流进入一个装置，该装置能探测到中微子的撞击。当然，这种撞击出现的次数不会太多，不过在8个月内他们观测到了56次这样的撞击，每次撞击都产生一个μ子。

通过这项实验可以看出，μ子型中微子显然不会生成电子，因此它在某个方面与电子型中微子肯定有差别（不论我们是否知道是什么差别)。为此莱德曼获得了1988年的诺贝尔奖。

莱德曼的研究工作表明，轻子数的守恒比人们原先认为的要略微复杂一些。实际上分别存在着电子数守恒和μ子数守恒。因此，电子的电子数为＋1，正电子的电子数为-1。电子型中微子的电子数为＋1，电子型反中微子的电子数为-1。这4种粒子所具有的μ子数均为0。同样，μ子的μ子数为＋1，反μ子的μ子数为-1。μ子型中微子的μ子数为＋1，μ子型反中微子的μ子数为-1。这4种粒子具有的电子数均为0。

当一个μ子数为＋1、电子数为0的μ子发生蜕变时，会形成一个电子（电子数为＋1，μ子数为0)，一个电子型反中微子（电子数为-1，μ子数为0)和一个μ子型中微子（电子数为0，μ子数为＋1)。这三个蜕变形成的粒子加在一起，其μ子数为＋1，电子数为0，恰好与原始的μ子完全相同。因此蜕变同时符合电子数守恒和μ子数守恒。

τ子也能产生中微子，但至今人们只对它进行了少量的研究。物理学家觉得它应该具备其他两种中微子所具有的所有明显的特性，却不知什么原因与它们略有不同。假定存在τ子数守恒似乎是不可避免的。

目前，物理学家把它们称为轻子的三种“味”。它们是：（1)电子和电子型中微子；（2)μ子和μ子型中微子；（3)τ子和τ子型中微子。同样，也存在着反轻子的三种味：（1)反电子（正电子)和电子型反中微子；（2)反μ子和μ子型反中微子；（3)反τ子和τ子型反中微子。（味这个术语在某种程度上也是一个不成功的例子。在日常英语中这个词通常用于通过味觉来区分物体，例如不同味道的冰淇淋。对于那些并非科学家的人们，要给他们一个概念，说明亚原子粒子之间只是“略有”不同，并不存在绝对的、可以测定出来的差别，用这个词恐怕也不是十分正确的。不过科学家也是人，有时候为了引人注目，甚至出于幽默就会这样做。举一个例子，有些原子核比其他一些原子核更容易受到亚原子粒子的撞击。一些富于遐想的科学家便把这种特别容易被击中的原子核比作容易被击中的“谷仓的侧壁”。因此，这种核的横截面的测量值作为给定的测量单位，被称为靶。)

至此，轻子和反轻子总共有12种。这些粒子由于不会自发蜕变成比轻子更简单的粒子，因而都是基本粒子（至少目前认为是这样)。τ子和μ子会蜕变成电子，而反τ子和反μ子则会蜕变成正电子。电子、正电子、3种中微子和3种反中微子似乎都根本不会蜕变。

当人们认为宇宙似乎只含有数量相当可观的电子和电子型中微子时，为什么还存在有12种轻子呢？电子型反中微子只在放射性转变过程中产生，总的来说这种粒子在宇宙中为数很少。正电子是在某些放射性转变过程中产生的，其生成概率甚至比电子型反中微子更小。迄今为止，据我们所知，较重的轻子和它们的中微子只能在实验室中通过像宇宙线轰击这类方法才能生成。

那么，为什么宇宙不是仅仅通过电子和电子型中微子生成的呢？为什么要考虑那些不必要的复杂问题呢？我的本能告诉我，这些复杂的问题并不是不必要的。宇宙是以这样一种方式建立起来的，每一种相互作用都扮演了它必须扮演的角色。例如，我们也许看不到τ子有什么用处，但是我们能强烈地感觉到，无论是什么原因，要使我们所在的宇宙正常运转，就需要有τ子的存在；没有τ子的宇宙就不是我们赖以生存的宇宙，甚至连宇宙本身都不可能存在。