7、中微子的质量问题
《自然杂志》１９卷４期的 ‘探索物理学难题的科学意义'的 ９７个悬而未决的难题： ６５．中微子有无静止质量？６６．有无中微子振荡？
在微观世界中，中微子一直是一个无所不在、而又不可捉摸的过客。中微子产生的途径很多, 如恒星内部的核反应，超新星的爆发，宇宙射线与地球大气层的撞击，以至于地球上岩石等各种物质的衰变等。尽管大多数科学家承认它可能是构成我们所在宇宙中最常见的粒子之一，但由于它穿透力极强，而且几乎不与其它物质发生相互作用，因此它是基本粒子中人类所知最少的一种。被誉为中微子之父的泡利与费密曾假设它没有静止质量。根据物理学的传统理论，稳定、不带电的基本粒子中微子的静止质量应为零，然而美国科学家的研究从另一个角度有可能推翻这一结论。
据俄《知识就是力量》月刊报道，美国斯坦福大学的科研人员对最近24年来人类探测中微子所获数据进行分析后发现，从太阳飞向地球的中微子流运动具有某种周期性，每28天为一个循环，这几乎与太阳绕自己的轴心自转的周期相重合。美国科学家认为，这种周期性是由于太阳不均等的磁场作用造成的。磁场强度的变化，使部分中微子流严重偏移，致使探测器难以捕捉到。对此似可得出结论：中微子流有着自己的磁矩，既然有磁矩，就应有静止质量。 在上世纪90年代以前，国际主流科学家们也认为中微子是没有质量的，因为这是标准模型的需要。然而近年包括我国在内的世界上的中微子振荡实验、观察，都探知到中微子有质量。令人惊讶的是，1938年意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）早就认为微中子有质量，并提出马约拉纳方程式。
1998年6月12日，东京大学的一个国际研究小组在美国《科学》杂志上发表报告说，他们利用一个巨大的地下水槽，证实了中微子有静止质量。这一论断在世界科学界引起广泛关注。由日、美、韩三国科学家组成的科研小组日前在此间宣布，他们在实验中观测到了250公里远处的质子加速器发出的中微子。这是人类首次在如此远的距离内观测到人造粒子。
日本文部省的高能加速器机构位于筑波科学城，东京大学宇宙射线研究所设在岐阜县的神冈，两地相距250公里。6月19日下午，科学家在高能加速器研究机构使用质子加速器向宇宙射线研究所的神冈地下检测槽发射中微子，并通过检测槽检测到了中微子。由于这批中微子来自筑波科学城方向，并且是在发射之后大约0.00083秒时检测到的，科学家因而断定，它们就是质子加速器发出的那批中微子。
这项实验是为了证实中微子有静止质量而设计的。1998年6月，日、美两国科学家宣布探测到中微子有静止质量。如果这一点被证实，现有的理论物理体系将受到巨大冲击。为了验证这一发现，科学家计划人工发射和接收中微子，观察中微子经过远距离传输后发生的变化，推断中微子是否有质量。
为了研究宇宙中的中微子，各种新型望远镜不断出现并投入使用。今年9月，一台专门研究中微子的特殊望远镜在地中海中开始安装。它不像普通望远镜那样直指天空，而是“反其道行之”面朝海底。这台“面海观天”的中微子望远镜名为“安塔雷斯”。它由英国、法国、俄罗斯、西班牙和荷兰等国科学家联合设计，安装地点位于距法国马赛东南海岸40公里处。望远镜在海面2.4公里以下，由13根垂入海中的缆状物组成，每个缆状物上将带有20个足球大小的探测器。 ２０００年７月，日本文部省高能加速器研究机构发表实验结果称，由日本、美国和韩国科学家组成的实验小组在迄今的实验中，确认“中微子有质量”的概率已经达到９５％。不过要最后作出“中微子有质量”的科学结论，需要９９％以上的概率。ＣＥＲＮ等一些其它研究机构也在筹划测中微子质量的试验。
参与该国际合作项目的英国设菲尔德大学科研人员介绍说，来自宇宙的中微子能畅行无碍地穿越包括地球在内的很多物体。虽然中微子无法直接探测到，但它在穿透地球过程中，偶尔会产生少量的高能量缪子中微子，并发散出特殊辐射光——切伦科夫光。“安塔雷斯”主要通过高灵敏度探测器检测该辐射来研究中微子。由于“安塔雷斯”面向海底，绝大部分宇宙射线会被厚厚的地层屏蔽掉，大大减少了观测过程中的本底噪音。专家说，这台望远镜的安装有可能为更深入揭示伽马射线爆发以及暗物质等宇宙奥秘提供重要线索。 北京大学的刘川教授认为： 中微子有质量（假设中微子振荡实验正确），它的速度小于光速。所谓“中微子运动速度等于光速”，是指1950年之前的说法，那时以为中微子没有静止质量。现代科技界认为中微子总质量上限确定到不及10亿分之一的氢原子质量，使暗物质的一种可能形式，它们在全部暗物质中最多只占有1/8的分额。【1】
因发现第二代μ中微子而与人分享1988年诺贝尔物理学奖的莱昂·莱德曼评论说，找到τ中微子的直接证据是非常重要且等待已久的结果。说其重要，是因为科学家将据此进一步研究三代中微子之间的关系；说等待已久，是因为25年前τ轻子就已经被发现，现在“另一个鞋子终于掉了下来”。τ轻子的发现者、荣获1995年诺贝尔物理学奖的马丁·佩尔说，证实τ中微子的存在具有里程碑的意义。在找到粒子家庭全部成员之前，粒子间相互转换的研究难以展开，现在这一障碍已被扫除。τ中微子的发现会给现实生活带来什么改变？这还是科学家们无法预言的。不过，正如居里夫人100年前发现原子核裂变时没有人知道这一发现
会有什么用处、而40年后人们用它制造原子弹和发电一样，τ中微子的发现也将给科学的发展带来深远影响。
美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。
宇宙学告诉我们，当今宇宙中一定存在着大量的中微子。物理学家们最近发现越来越多的证据，表明它们具有小质量。甚至可能有超越现行标准模型3个以外更多类型的中微子。
加拿大Sudbury中微子观测站（SNO）发布的第一批结果和日本超级神冈的实验结果，对丢失的太阳中微子进行的证据越来越多。这两项实验均系国际合作，得到美国能源部的大力支持。
称为MINOS的长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程建造的设备，寻找具有极小质量的中微子存在的证据。费米实验室新的主注入器作为MINOS 实验的中微子源，实验的长基线从这里开始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原Soudan铁矿里。(Soudan矿中现有1000吨探测器)
参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到达Soudan铁矿中的探
测器的中微子的特性进行测量和比较。这两个探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子振荡的证据，因此得出中微子质量。
1995 年美国LANL的液体闪烁器中微子探测器（LSND）发现了谬子中微子变成电子
中微子的证据。费米国家实验室有一台探测器称为MiniBooNE，用来研究这一现象。因为更强的中微子束流，它比LSND获得更多的数据。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短约10000倍强脉冲组成。这大大提高了实验将来自自然产生宇宙线相互作用的束流感应中微子事例分开的能力。
现行的理论假设中微子根本就没有质量。中微子具有质量要求对理论进行修改，它起码有助于解释构成90%以上宇宙的暗物质。 中微子质量以及其他所有轻子和夸克的来源，被认为是由因黑格斯玻色子传递的“黑格斯潮引起的独特相互作用。这个玻色子是费米实验室TeV能级加速器大力寻找的目标。如果找不到，可能会在CERN的LHC上找到。能形成重元素的核反应也能形成大量奇异的亚原子群，即中微子。它们属于轻子粒子群，比如常见的电子，µ介子和τ介子。因为中微子几乎不与普通物质发生相互作用，所以可以通过它们直接看到星体中心，要做到这一点，我们必须能够捕捉到它们并对它们进行研究，物理学家正
在朝这个方向努力。
不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量，任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性，即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子。
参考文献：
【1】《物理》第31卷11期759页 2002年 北京