中微子的类型和中微子振荡

中微子-像带电的轻子（电子，介子，tau），上夸克（上，迷惑，真实）和下夸克（下，奇怪，可爱）的夸克是三种。 但是它们可以通过不同的方式分为不同的类型。 同时，由于我们世界的量子性质，一次只能使用其中之一。 在本文中，我将解释为什么会发生这种情况，以及如何根据这一事实得出一个有趣且具有科学重要性的事实，如中微子振荡 。

您可能会认为每个粒子都有特定的质量-例如，电子质量能为（E = mc ² ）0.000511 GeV-从一种可能的角度来看，三种中微子也不例外。 我们可以按质量（尚不确切知道）对三个中微子进行分类，并从最轻到最重分别将它们称为中微子1，中微子2和中微子3。 我们将这种划分称为质量分类，将此类中微子称为质量类型。


图 1个

对中微子进行分类的另一种方法是通过它们与带电轻子（电子，介子和tau）的关系。 在有关希格斯场为零的情况下粒子的外观的文章中提到了这一点。 理解这一点的最好方法是集中于弱核相互作用如何影响中微子，这在它们与粒子W的相互作用中得到反映。粒子W非常重，如果产生它，它可能会衰减（图1）成为三个带电粒子之一角锥和三个中微子之一。 如果W衰减成antitau，将出现tau中微子。 类似地，如果W衰减成反μ子，则将出现μ子中微子。 （对于产生中微子射线至关重要的是，介子在弱相互作用的帮助下衰减，并且从带正电的介子中获得反介子和介子中微子）。 如果W衰变成正电子，就会出现电子中微子。 我们将其称为弱分类，并且这些中微子是弱类型的中微子，因为弱相互作用决定了它们。

好吧，这是什么问题？ 我们不断使用适用于人们的不同分类。 我们说人们老少皆老； 他们是高，中，矮。 但是，可以选择将人们进一步分为九类：年轻人和高个子，年轻人和中年，成人和矮个子，老年人和矮个子，等等。 但是量子力学禁止我们对中微子分类做同样的事情。 没有中微子同时是介子中微子和中微子-1。 没有tau-neutrino-3。 如果我告诉您中微子的质量（以及它是否属于中微子1、2或3组），我简直无法告诉您它是电子中子，电子中子还是tau中微子。 某种质量类型的中微子是三种弱类型中微子的混合物或“叠加”。 每个质量类型的中微子（中微子1，中微子2和中微子3）都是电子，粘质子和tau中微子的精确但不同的混合物。

反之亦然。 如果我看到介子是如何分解为反介子和中微子的，我立即发现生成的中微子将是介子中微子-但我找不到它的质量，因为它将是中微子1，中微子2和中微子3的混合物。 。 电子中微子和tau中微子也是精确的，但是三种特定质量的中微子的混合物不同。

这些大规模类型和弱类型之间的关系与“从北到南”和“从西到东”的美国高速公路分类之间的关系更为相似（但不完全一致）（美国政府以这种方式对它们进行划分，并为C /南部，甚至是简单的道路（黑白），并将其分为从“东北到西南”和“东南到西北”的道路。 使用任何分类都有其自身的优势：如果将重点放在经度和纬度上，则N / S-W / N分类是合适的，并且NE / SW-SE / NW从海岸到西南方向更为方便。东。 但是两种分类不能同时使用。 通往东北的道路部分为北部，部分为东部； 不能说她就是这个或那个。 而北路则是东北和西北的混合体。 中微子也是如此：中微子是弱中微子的混合物，弱中微子是中微子的混合物。 （如果您决定使用改进的C / S-N / S-S / S-S / S-S / N道路分类法，该类比将停止工作；对于中微子，此选项不存在）。

无法对中微子进行分类，将中微子归因于某种质量类型和某种弱类型，是不确定性原理的一个例子，类似于同时禁止知道粒子的确切位置和速度的奇怪现象。 如果您确切地知道这些属性之一，则对其他属性一无所知。 或者，您可以了解有关这两个属性的知识，但不是全部。 量子力学告诉您确切地如何平衡您的知识和无知。 顺便说一句，这些问题不仅适用于中微子。 它们与其他粒子相关，但是在中微子行为的背景下尤其重要。

几十年前，一切都变得更加简单。 然后认为中微子没有质量，因此使用弱分类就足够了。 如果您看老百姓的旧著作或旧书，您只会看到诸如电子中微子，介子中微子和tau中微子之类的名字。 但是，在1990年代发现之后，这已不再足够。

现在，乐趣开始了。 假设您拥有电子类型的高能中微子，即中微子1，中微子2和中微子3的某种混合物。 中微子在空间中运动，但是它的三种不同质量类型的运动速度略有不同，非常接近光速。 怎么了 因为物体的速度取决于其能量和质量，所以三种质量类型具有三种不同的质量。 对于我们可以测量的任何中微子，它们速度的差异都非常小-从未观察到-但其效果令人惊讶地强大！

中微子速度差-一些公式

爱因斯坦相对论中的粒子速度v可以用粒子质量m和能量E（这是总能量，即运动能量加质量能量E = mc ² ）以及光速c来表示：

$$

$$v = c（1-[\ frac {m ^ 2} {E}] ^ 2）^ {1/2}$$

如果粒子具有很高的速度并且其总能量E远大于质量能mc ² ，则

$$

$$v = c（1-[\ frac {m ^ 2} {E}] ^ 2/2 + ...）$$

圆点提醒我们该公式并不精确，而是与大E的良好近似。换句话说，粒子几乎以光速移动的速度与光速相差的量等于粒子质量能与其总能量之比的平方的一半。 从这个公式可以看出，如果两个中微子的质量m ₁和m _2不同 ，但能量E相同，则它们的速度相差很小。

让我们看看这意味着什么。 1987年爆炸的超新星产生的所有测得的中微子都以10秒的间隔到达地球。 假设超新星以10 MeV的能量发射出电子中微子。 中微子是中微子1，中微子2和中微子3的混合物，它们各自以略有不同的速度运动！ 我们会注意到吗？ 我们不确切知道中微子的质量，但是假设中微子2的质量能为0.01 eV，中微子1的质量能为0.001 eV。 然后，如果它们的能量相等，则它们的两个速度与光速之差和彼此的相差不到十万亿分之一。

$$

$$v_1-v_2 = c [（m_2 ^ 2-m_1 ^ 2）c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 c$$

（所有方程的误差不超过1％）。 这样的速度差意味着原始电子中微子的中微子2和中微子1的部分将以毫秒的差到达地球-由于许多技术原因无法检测到这种差。

* * *

现在，从有趣的内容开始，我们继续研究真正奇怪的事物。

这种微小的速度差异使中微子1，中微子2和中微子3的确切混合物（即电子中微子）在空间中移动时逐渐变化。 这意味着，随着时间的流逝，我们开始使用的电子中微子不再是我们自己，它对应于中微子1，中微子2和中微子3的一种特定混合物。 三种质量类型的不同质量的中微子在运动过程中将初始电子中微子转变为电子中微子，μ子中微子和tau中微子的混合物。 混合物的百分比取决于速度的差异，因此取决于初始中微子的能量，以及中微子的质量差异（更确切地说，取决于质量平方）。


图 2

首先，效果会增强。 但是，有趣的是，如图所示。 2，这种效果不只是不断增长。 在中微子运动的过程中，它先增长，然后又下降，然后又增长，再一次下降。 这称为中微子振荡。 它们究竟如何发生取决于中微子的质量以及那里中微子和弱中微子如何混合。

可以通过以下事实来测量振荡的影响：电子中微子与原子核碰撞（即可以检测到中微子）可以变成电子，但不能变成μ子或tau，而μ子中微子可以变成μ子，但是不能。变成电子或tau。 因此，如果我们以μ子中微子束开始，并且在移动一定距离后，一些中微子与原子核碰撞并变成电子，这意味着在束中发生振荡，μ子中微子变成电子中微子。

一个非常重要的影响使这个故事变得复杂和丰富。 由于普通物质是由电子组成的，而不是由介子和tau组成的，因此电子中微子以不同于介子或tau的方式与电子相互作用。 通过弱交互发生的这些交互非常小。 但是，如果中微子穿过大厚度的物质（例如，穿过地球或太阳的有形部分），这些微小的影响就会累积并极大地影响振荡。 幸运的是，我们对弱核相互作用有足够的了解，以便详细地预测这些影响，并从实验测量到发现中微子的性质，向后计算整个链。

所有这些都是使用量子力学完成的。 如果这对您不直观，请放松； 对我来说，这也不直观。 我从方程式中得到了所有的直觉。

事实证明，仔细测量中微子振荡是研究中微子特性的最快方法！ 由于这项工作，他们已经获得了诺贝尔奖。 整个故事源于1960年代至今的实验与理论的经典互动。 我将提到所进行的最重要的测量。

首先，我们可以研究在太阳中心经过精心研究的核炉中产生的电子中微子。 这些中微子穿过太阳并穿过空的空间到达地球。 人们发现，当它们到达地球时，它们具有相同的可能性既可能属于μ子或tau类型，也属于电子中微子类型。 这本身就是中微子振荡的证据，确切的分布为我们提供了有关中微子的详细信息。

我们也有介子中微子，它是由宇宙射线中产生的介子的衰变引起的。 宇宙射线是来自外层空间并与高层大气中的原子核碰撞的高能粒子。 在产生的粒子级联中，经常会发现介子，其中许多会分解为μ子中微子和反μ子，或衰减为μ子中微子和μ子。 我们在探测器中检测到其中一些中微子（和反中微子），然后根据进入探测器之前经过的地球厚度，可以测量其中的多少属于电子中微子（和中微子）。 这再次为我们提供了有关中微子行为的重要信息。

这些“太阳能”和“大气”中微子在过去的20年中为我们提供了很多有关中微子特性的知识（而有趣的事物的第一暗示几乎发生在50年前）。 在这些自然能源中，还增加了使用中微子射线进行的各种研究，例如OPERA实验中使用的射线以及常规核反应堆中的中微子。 每种测量在很大程度上与太阳和大气中微子的标准解释一致，并且可以更精确地测量质量类型和弱类型中微子的混合物以及质量中微子平方质量的差异。

正如人们所期望的那样，在实验中与理论上的期望存在细微的差异，但是没有一个得到证实，并且大多数（如果不是全部的话）仅仅是实验水平上的统计事故或问题。 到目前为止，在几个实验中都没有证实与中微子及其行为的矛盾。 另一方面，这整个图景是很新的，而且测试还很差，因此很有可能（尽管不太可能）有完全不同的解释。 实际上，已经提出了非常严肃的替代方案。 因此，对中微子特性细节的细化是一个积极发展的研究领域，在大多数情况下，人们对此表示同意，但仍有一些问题尚待解决-包括对中微子质量的完整且不可撤销的确定。