少有人談論的物理異常：中微子振盪帶來的謎團

中微子是亞原子世界的神秘幽靈，是唯一隻與弱力相互作用的粒子（引力太小通常被忽略不計）。弱力也非常微弱，所以它很少與其他任何東西相互作用，它們大多都是穿過物質而不留下痕跡，因此經常被稱爲幽靈粒子。

雖然一開始我們只假設存在一種中微子，但事實證明存在三種不同的變體。一類中微子與電子有關稱爲電子中微子，另外兩類中微子與電子的表親μ子和τ子有關，因此它們被分別稱爲μ中微子和τ中微子。科學家用希臘字母ν來表示中微子，用下標來告訴我們它是什麼中微子。

科學家發現存在不同風味的中微子的方式是，中微子似乎記得它們的起源。例如，1962年的一項實驗創造了與μ子串聯的中微子，如果隨後一箇中微子碰撞到原子核中，那麼碰撞只會產生μ子，而不會產生電子或τ子。中微子記得它是如何製作的，這一觀察也獲得了1988年的諾貝爾物理學獎。

中微子缺失之謎

由於觀察到的中微子具有不同的類型，科學家認爲他們對中微子的理解已經相當完整了。然而，當他們繼續研究時，中微子卻給了他們驚喜。1964年，一位科學家想研究源自最大核反應堆——太陽的中微子。他知道中微子可以與氯相互作用併產生氬，他還知道中微子的相互作用非常微弱，因此他需要大力量的氯原子才能完成這個實驗。於是他用四氯乙烯裝滿了泳池大小的實驗裝置，預計一週會產生十個氬原子。

然而，他沒有找到預期的十個原子，他只觀察到了三個。對此最簡單的解釋是測量錯誤，但許多後續實驗重複了他的結果。這也就意味着，他探測到的中微子比預期的還要少，這被稱爲太陽中微子失蹤之謎。

中微子的另一個來源是宇宙射線。來自宇宙深處的高能質子不斷撞擊大氣層中的原子核，由此發生的強子衰變產生了大氣中微子。根據理論計算，產生的每電子中微子與μ中微子的比例爲1：2。但許多實驗都觀察到了不同的比例結果，μ中微子比實驗預期的還要少或電子中微子比預期的還要多，這也被稱爲大氣中微子問題。

在1950年代後期，意大利物理學家布魯諾·龐特科爾沃假設不同風味的中微子可能會相互振盪。如果這個想法是真的，那麼一束電子中微子可以逐漸變成μ中微子，然後又變回電子中微子。中微子振盪的第一個令人信服的證據出現在1998年，使用的是日本的超級神岡探測器實驗，證實了中微子的身份會發生改變。中微子振盪能很好地解釋上述兩個謎題。在過去的20年內，科學家們利用粒子實驗室製造的中微子束研究了中微子振盪，這些實驗在理解中微子振盪方面取得了巨大的進展。

中微子質量之謎

中微子的振盪也很奇怪，因爲這隻有在有質量的情況下才會發生，但我們不知道中微子的質量從何而來。其他基本粒子獲得質量的方式是它們與希格斯玻色子耦合，但是這種機制需要粒子同時具有左手性和右手性，然後希格斯玻色子將它們耦合在一起。但是，到目前爲止，我們只見過左手中微子，因此它與希格斯機制的關係尚不清楚，我們尚不知道它的質量從哪裡來。

有兩種想法可以解決這個問題。第一個想法假設右手中微子存在但非常重，所以我們還沒看到它，因爲創造它們需要大量的能量。第二個想法是假設中微子與其他自旋爲1/2的粒子有所不同，它的左手版本和右手版本完全相同，這被稱爲馬約拉納粒子。但無論哪種方式，我們目前對中微子的理解都缺少一些東西。