中微子的秘密, 已知宇宙中最奇怪的粒子之一

  如何解決像中微子這樣的問題？

  中微子也許是宇宙中最神秘的粒子。中微子最初是在20世紀50年代發現的，是放射性衰變的產物，但也在核聚變反應中產生。因此，大量的中子是通過我們恆星核心的pp鏈和CNO核聚變過程產生的。這使得太陽成為做中微子天文學的完美候選人。但是，當我們在1960年代首次開始觀測太陽中微子時，揭示了神秘的被稱為太陽中微子問題。這個問題的解決方案直到20世紀90年代末才被證明，它表明中微子比我們想像的要奇怪得多。

  太陽中微子問題起因於我們從太陽觀察到的中微子的量約為預期量的三分之一。這意味著我們對太陽核聚變的理解是非常錯誤的，或者中微子有點奇怪。大約在同一時間，我們開始測量太陽中微子，大約在同一時間，我們開始測量太陽中微子，發現電子有兩姐妹粒子稱為μ介子和τ介子（統稱為輕子），每一種都對應一個中微子。中微子是預期中微子的三倍，而測量到的中微子是預期量的三分之一，看起來很可疑。

  有一些事情馬上就會知道了。早期的太陽中微子探測器只能檢測到電子中微子，因此，如果太陽產生了中微子的預測量，但有等量的三種「味」的中微子（電子、μ介子、τ介子），就能解決這個謎。但是太陽不能產生所有三種中微子，因為太陽核中的核反應只產生電子中微子。明顯的解決辦法是尋找一種將中微子從電子類型轉換為其他「味」的方法，但根據成熟的粒子物理學標準模型，中微子應當沒有質量。它們會以光的速度運動，而且他們也沒有辦法改變「味」。

  當然，如果中微子具有質量，那麼它們可以改變類型。但事實證明中微子質量並不是我們用來處理的簡單的質量。在標準模型中，中微子是由電弱力和弱核力控制放射性衰變。電弱模型是一個量子理論，所以像這樣不確定性原理開始發揮作用。因此，你可以測量中微子的質量，也可以測量它的「味」，但不能同時測量。這意味著我們可以說中微子具有質量，但我們永遠不能說電子「味」具有特定的質量。

  量子模糊現象

  由於質量和「味」之間的量子模糊，我們總是局限於知道一種或另一種。根據模型，中微子有三種質量類型（質量本徵態）和三種「味」（味本徵態）。如果我們知道一個中微子的味（電子、μ介子、τ介子），則這種「味」是三種質量類型的疊加（量子混合）。如果我們知道中微子的質量，那麼它就是三種「味」的疊加。電子中微子與μ介子中微子的區別在於，它們是不同質量類型的混合。中微子的每種「味」都是不同質量本徵態的特定疊加。

  那麼中微子和「模糊」量子質量如何解決太陽中微子問題呢？事實證明，每個質量本徵態的速度略有不同。因此，如果一個電子中微子在核反應中產生，其質量本徵態的疊加將因速度的不同而逐漸改變。在量子理論中，每個質量本徵態都有不同的波長，所以當它們移動時，它們的波開始干擾。這種效應被稱為中微子振蕩。所以當一個電子中微子穿越宇宙時，它會在其他「味」之間振蕩，並且它被觀察為μ介子或τ介子中微子上升或下降。

  在宇宙尺度上，太陽和地球之間的距離相當小，所以電子中微子與其他類型的中微子混合的時間並不多。但是當中微子穿過物質時，另一個振蕩效應開始起作用，被稱為MSW效應。當中微子穿過物質時，它們的速度會發生變化，類似於光線通過玻璃折射的方式。每種「味」的變化是不同的，這加速了中微子的混合（類似於稜鏡可以展開光的顏色的方式）。當中微子到達太陽表面時，它們被混合到等量的三種「味」中。結果，到達地球只有三分之一的中微子是電子中微子，這就解釋了為什麼早期的中微子檢測器看到預期量的三分之一。

  因此，太陽能中微子問題得到解決。