活性中微子與惰性中微子
普通中微子也稱作活性中微子（active neutrinos），其概念最早由奧地利理論物理學(xué)家沃夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）在1930年底提出，是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論中已經(jīng)包括了的、電中性且自旋為二分之一的費(fèi)米子。它們幾乎無(wú)處不在，可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸、星系活動(dòng)、超新星爆發(fā)、太陽(yáng)中心和地球內(nèi)部，以及核反應(yīng)堆與粒子加速器。在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)，中微子只有左手征（而反中微子只有右手征），沒(méi)有靜止質(zhì)量，只參與弱相互作用，以光速在空間傳播。普通中微子分為電子型、繆子型和陶子型三種不同的類型，它們和各自對(duì)應(yīng)的帶電輕子共同構(gòu)成了輕子的三個(gè)家族。
沃夫?qū)づ堇?/p>
惰性中微子（sterile neutrinos）屬于尚無(wú)可靠實(shí)驗(yàn)證據(jù)的假想粒子，最初是由意大利理論物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫（Bruno Pontecorvo）在1968年左右提出來(lái)的，指的是不參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用過(guò)程的中微子，因此通常被理解為超越標(biāo)準(zhǔn)模型三代輕子框架的新型粒子。
布魯諾·龐蒂科夫
目前在實(shí)驗(yàn)和理論上廣受關(guān)注的惰性中微子按其質(zhì)量范圍大致可分為如下幾種類型：
1）處于電子伏（eV）左右或以下、與美國(guó)液體閃爍器中微子探測(cè)器（LSND）等中微子振蕩實(shí)驗(yàn)所暗示的“反?！毙?yīng)相關(guān)聯(lián)的輕惰性中微子；
2）處于千電子伏（keV）左右、可能的溫暗物質(zhì)的候選者；
溫暗物質(zhì)（WDM）是理論上性質(zhì)介于熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)之間的暗物質(zhì)，經(jīng)常以keV質(zhì)量的惰性中微子作為WDM的代表。
3）處于大統(tǒng)一能標(biāo)以下幾個(gè)數(shù)量級(jí)的區(qū)域、與“蹺蹺板機(jī)制”（Seesaw mechanism）和“輕子產(chǎn)生機(jī)制”（Leptogenesis mechanism）相關(guān)聯(lián)的超重惰性中微子；
蹺蹺板機(jī)制：一種通過(guò)引入新的重自由度來(lái)自然地壓低活性中微子質(zhì)量的理論機(jī)制。如果以電弱對(duì)稱性自發(fā)破缺的能標(biāo)作為蹺蹺板的支點(diǎn)，那么一端放上“重物”，另一端自然就輕飄飄地翹起來(lái)。后者即代表輕的中微子質(zhì)量。
輕子產(chǎn)生機(jī)制：通過(guò)“翹翹板機(jī)制”引進(jìn)的重馬約拉納中微子在宇宙早期的衰變可以導(dǎo)致宇宙空間中輕子與反輕子在數(shù)目上的不對(duì)稱，后者進(jìn)一步通過(guò)電弱反常過(guò)程轉(zhuǎn)化為重子與反重子在數(shù)目上的不對(duì)稱，其中重子略多于反重子。隨著宇宙的膨脹和冷卻以及物質(zhì)與反物質(zhì)粒子的成對(duì)湮滅，最終遺留下來(lái)的重子成為構(gòu)成今天的物質(zhì)世界的種子。這一理論機(jī)制就是解釋當(dāng)今宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象的“輕子產(chǎn)生機(jī)制”，它使得中微子在宇宙學(xué)中的角色更加重要。
4）從千兆電子伏（GeV）到萬(wàn)億電子伏（TeV）這一可被大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)以及較低能加速器搜尋的能區(qū)、但缺乏明確理論預(yù)言或?qū)嶒?yàn)暗示的未知惰性中微子。
宇宙空間中是否真的存在惰性中微子？假如存在，它們有幾種不同的類型？它們與普通中微子有微小的混合效應(yīng)嗎？諸如此類的問(wèn)題至今尚無(wú)明確的答案。
mass與flavor本征態(tài)
值得特別注意的是，不論活性中微子還是惰性中微子都有質(zhì)量（mass）本征態(tài)和味道（flavor）本征態(tài)之分。mass本征態(tài)描述的是中微子作為自由粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)所處的狀態(tài)，而flavor本征態(tài)描述的是中微子參與弱相互作用時(shí)所處的狀態(tài)。倘若中微子沒(méi)有質(zhì)量（或者它們的質(zhì)量完全簡(jiǎn)并），兩者其實(shí)是等價(jià)的。但自1998年以來(lái)一系列與大氣、太陽(yáng)、反應(yīng)堆和加速器相關(guān)的振蕩實(shí)驗(yàn)表明，普通中微子其實(shí)具有微小的質(zhì)量，而且它們的質(zhì)量態(tài)與相互作用態(tài)之間存在較大的不匹配——后者通常用包含較大混合角的中微子混合矩陣來(lái)表述。
既然中微子的質(zhì)量態(tài)不同于它們的相互作用態(tài)，那么當(dāng)我們說(shuō)到右手中微子的時(shí)候，指的是具有右手征的質(zhì)量態(tài)，還是具有右手征的相互作用態(tài)呢？這一點(diǎn)常常讓很多人感到困擾。
為了讓標(biāo)準(zhǔn)模型中的普通中微子獲得有限的質(zhì)量，一個(gè)最簡(jiǎn)單的辦法就是引入右手中微子場(chǎng)（電弱SU(2)群的單態(tài)），與已有的左手中微子場(chǎng)以及希格斯場(chǎng)搭配構(gòu)成湯川（Yukawa）相互作用項(xiàng)，后者在希格斯場(chǎng)獲得真空期望值后就蛻變成中微子質(zhì)量項(xiàng)，即通常所謂的狄拉克（Dirac）型中微子質(zhì)量項(xiàng)。中微子一旦獲得了有限的質(zhì)量，那么它一定同時(shí)具有左手征和右手征，但只有左手征的場(chǎng)參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用。因此諸如“很重的右手中微子”和“很輕的左手中微子”的表述，都是不夠準(zhǔn)確的。換句話說(shuō)，中微子的輕重與它們的手征是左手還是右手沒(méi)有關(guān)系。
保羅·狄拉克
人們?cè)谘芯慷栊灾形⒆訒r(shí)，通常都假設(shè)它們與普通中微子有微小的混合效應(yīng)，否則它們的存在就無(wú)法在弱作用過(guò)程中體現(xiàn)出來(lái)，而只能通過(guò)引力效應(yīng)表現(xiàn)了，但引力效應(yīng)卻無(wú)法告知相關(guān)粒子的非引力特性。惰性與活性中微子的有限混合意味著活性中微子的味道態(tài)是它們的質(zhì)量態(tài)與惰性中微子的質(zhì)量態(tài)的線性疊加態(tài)，于是惰性中微子就可以通過(guò)與活性中微子的“混合”關(guān)系，間接地參與標(biāo)準(zhǔn)的弱相互作用過(guò)程，并由此影響后者的相關(guān)可探測(cè)量。例如，一旦某一活性中微子味道本征態(tài)振蕩到實(shí)驗(yàn)上無(wú)法測(cè)量的惰性中微子味道本征態(tài)，那么遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)器所測(cè)量到的活性中微子的總通量就會(huì)小于不存在惰性中微子時(shí)的理論預(yù)期，從而在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為某種“反常”。
惰性中微子 ≠ 右手中微子
既然惰性中微子有質(zhì)量，它們當(dāng)然同時(shí)具有左右手征，因此那種認(rèn)為惰性中微子就是右手中微子的說(shuō)法，是有問(wèn)題的；反過(guò)來(lái)，把右手中微子看作惰性中微子，也是不準(zhǔn)確的。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，“右手中微子”指的中微子的右手態(tài)，而“惰性中微子”可能指的是質(zhì)量態(tài)，也可能指的是相互作用態(tài)。
如果在討論的時(shí)候?qū)唧w概念不加以限制和澄清，則很容易導(dǎo)致誤解。比如在第一類“蹺蹺板”機(jī)制中，重的惰性中微子的左手態(tài)也會(huì)與帶電輕子發(fā)生帶電流反應(yīng)，只不過(guò)相應(yīng)的耦合系數(shù)非常小而已。同理，輕的惰性中微子的左手態(tài)具有類似的特點(diǎn)。注意，這里我們?cè)谔峒岸栊灾形⒆訒r(shí)，已經(jīng)使用了“輕的”或者“重的”修飾語(yǔ)，意味著我們其實(shí)討論的是質(zhì)量本征態(tài)。
其實(shí)通過(guò)“蹺蹺板”機(jī)制所產(chǎn)生的中微子質(zhì)量項(xiàng)，是馬約拉納（Majorana）質(zhì)量項(xiàng)，或者說(shuō)對(duì)應(yīng)的中微子是馬約拉納中微子。與狄拉克中微子不同，馬約拉納中微子的反粒子就是它自身——這一表述的前提是中微子處于質(zhì)量本征態(tài)，即具有確定的質(zhì)量的粒子態(tài)。鑒于此，人們無(wú)法為馬約拉納中微子定義確定的輕子數(shù)（lepton number），否則將導(dǎo)致中微子的輕子數(shù)（＋1）等于反中微子的輕子數(shù)（-1）的荒唐結(jié)果。換句話說(shuō)，馬約拉納中微子破壞輕子數(shù)，因此它們可以傳遞諸如無(wú)中微子的雙貝塔衰變等稀有過(guò)程，這些過(guò)程是探測(cè)中微子的馬約拉納屬性的最現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)窗口。
馬約拉納
普林斯頓高等研究院的保羅·朗伽克（Paul Langacker）教授曾指出，惰性中微子經(jīng)常被稱作右手中微子，這種叫法當(dāng)涉及馬約拉納質(zhì)量時(shí)是令人困惑而且不合適的。原因很簡(jiǎn)單，活性中微子場(chǎng)的左手態(tài)的電荷共軛其實(shí)具有右手征，故而該左手征的場(chǎng)及其電荷共軛的場(chǎng)就可以構(gòu)成一個(gè)馬約拉納質(zhì)量項(xiàng)，但這里的右手中微子“場(chǎng)”其實(shí)來(lái)自左手中微子“場(chǎng)”的電荷共軛，所以并非惰性的！
總結(jié)一下，容易造成誤解的主要原因是在文獻(xiàn)和口語(yǔ)表述中人們往往省略、忽略或者混淆了“中微子”（粒子）與“中微子場(chǎng)”的區(qū)別，或者“質(zhì)量本征態(tài)”與“味道本征態(tài)”的區(qū)別。尤其要注意的是，即便是通常所說(shuō)的“活性”中微子，它們的“右手”場(chǎng)在狄拉克情形也是“惰性”的。
作者感謝與周順和李玉峰兩位專家的有益討論。
2017年8月12日，邢志忠。
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