中微子振荡的研究理论

中微子是一种不带电，质量极其微小的基本粒子，也是构成物质世界的最基本单元之一，共有三种类型，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了1/4，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质，即它可以在接近光速的飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。其中两种模式自上世纪60年代起即有迹象。中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实，其发现者凭此获得了2002年诺贝尔奖，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。

在“中微子震荡”这个概念出现以前，根据狭义相对论而建立的中微子标准模型，中微子的质量应为零，并应该以光速行进。然而，近年的研究似乎开始对“中微子的质量是零”这个假设开始动摇，亦因此开始有人质疑中微子是否能够以光速行进。

科学家首次对中微子的速度进行侦测在1980年代早期，当时科学家透过从脉冲质子束射击而产生的脉冲π介子束来测量中微子的速度。当带电的π介子衰变，就会产生μ子及中微子或电子中微子。透过长基线的设计，由远方的加速器以此种方式产生中微子，经过地壳的作用削减背景事例，来进行中微子震荡的研究。透过检测加速器产生粒子，与中微子出现在侦测器的时间差，就可测量出中微子的速度。结果显示中微子的速度是光速与假设相符。后来当这个实验在其他地方重复时，测量中微子的方法改用了MINOS侦测器，测出了一颗能量为3GeV的中微子的速度达1.000051(29) c。由于这个速度的中间值比光速还要快，科学家当时认为实验的不确定性太大，而实际上中微子的速度应该不可能超过光速。这个实验设定了50 MeV的渺中微子的质量上限。

同样的观测不单在地球上发现，当天文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，世界各地有三台中微子侦测器各自探测到5到11个中微子。有趣的是：这些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到地球之前3小时侦测到的。对于这个现象，当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快”，而这个速度亦与光速接近。然而，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度有可能会比光速还要快。

2011年9月，位于意大利格兰萨索国家实验室(LNGS) 的OPERA实验宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志。研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。根据这项对渺中微子的研究，发现当平均能级达到17 GeV的渺中微子从CERN走到LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快60.7纳秒，即以光速的1.0000248倍运行，是实验的标准差10纳秒的六倍，“比光速快6公里”，是非常显著的差异。如果此结果确定证实的话，将会是理论物理学界的一大震撼，其中一方的说法是，如果真的有如此大的差异，从超新星飞来的中微子应该早到数年而不是数小时。为此，合作进行实验的欧洲粒子物理研究机构特地举办了一场网络发表会，详细说明的实验的方法以及各种误差的估算，同时邀请其他的实验机构能够重复相同的实验，来作为此结果的验证。然而，在2012年2月，CERN发现是连接GPS和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象，但同时另一个与GPS信号同步的振荡器故障又可能导致实验结果低估中微子的速度。为此将在2012年5月重新进行试验进行检测。

中微子的震荡到底有几种？每种有什么具体区别

1896年，著名的物理学家贝克勒发现： 铀具有放射性 。第二年，卢瑟福和汤姆孙让铀的放射线通过磁场，并发现了铀的放射线中有三种成分，分别带正电、不带电和带负电，他们对这三种射线分别命名为 α射线、γ射线、β射线 。

实验物理学发现了的这些物理学现象需要理论物理学来解释，也是在20世纪初期，许多理论物理学家投身于研究衰变现象。

如今我们知道，β衰变其实是原子核内中子发生衰变，转化成了质子，同时会释放出一个电子和中微子。不过，在当时科学家们并不知道中微子的存在。

他们发现电子并没有带走所有的能量，而只是带走了一部分的能量，这就导致在衰变的过程中能量和动量都不守恒，只是电荷守恒了。为此，β衰变一直以来都让理论物理学家们头疼不已，量子力学哥本哈根学派的领袖波尔就曾经为此头疼不已。他甚至一度怀疑能量守恒定律是不是错了？

那你可能会问：为什么他们没有发现中微子呢？

这其实就是中微子的特点，中微子首先不带电，其次质量极其小，小到如今我们还无法测算出它的质量。因此，100年前的科学技术更是无法捕捉到它的存在。

虽然当时的科学家对此一头雾水，但是也有明白人，他就是泡利，此人有一个外号叫做： 上帝之鞭 。他曾是天才少年，也是鼎鼎大名的物理学家。

据说爱因斯坦在演讲时都会看看台下有没有泡利，如果有，就会小心翼翼地讲，以免被泡利怼。在当时的物理学界，被泡利怼过的物理学大师不在少数。上文中说到的波尔就被他怼过，我们国家的物理学家杨振宁在刚出道时，也曾经被泡利为难得下不来台。

泡利认为，β衰变中的能量、动量和自旋角动量应该还是守恒的，因此，他认为还存在着一种粒子，只是科学家们还没找到，这就是 中微子假说 。

不过，这仅仅是假说，要把这个假说坐实，还需要真的找到中微子。在接下来的20多年里，科学界都在找中微子。

从1967年开始，无论科学家还什么样子的方式来寻找中微子，最终得到的结果都只有理论值的1/3，那只有两种可能性：

事情的转机发生在1987年2月23日的晚上，当时有一颗星体编号是SN1987A发生超新星爆炸。全世界几个重要的中微子探测器几乎同时发现了中微子，不仅如此，他们还发现中微子比超新星爆炸时产生的光还要早到了3个小时。这莫非是因为中微子的速度已经超过了光速？这一发现是不是颠覆了爱因斯坦的相对论？

其实事实并非如此，按照天文学家的模型，中微子的产生其实要早于光的，而且中微子是不参与到电磁相互作用的，因此，它们会毫不犹豫奔向星辰大海。过一段时间后，超新星爆炸产生的光子才会跟着中微子的脚步开始在宇宙中传播。所以，这并不违反相对论，也侧面证明了中微子的质量有多小，传播速度有多快，这也是它为什么难以观测的原因。

为什么我们要介绍这次超新星爆炸呢？

这是因为这次观测到的中微子的数量是和理论值一致的，没有像之前只观测到了1/3 。这说明理论并没有错，只是我们观测到的中微子只有原来的1/3。于是，科学家就猜测，中微子应该有三种，并且它们之间还能够互相转化。我们把这三种中微子分别叫做 τ子中微子、电子中微子、μ子中微子， 把它们相互转化的机制叫做 中微子振荡 。

2000年前后，科学家终于把三种中微子都找全了，并且证明了三种中微子可以换线转化。

虽然我们相比100年前，对于中微子的了解要深刻得多，但是即便到了现在，中微子的研究仍然是科学的最前沿阵地。原因也很简单，虽然我们搞清楚了中微子振荡，但我们对于中微子还知之甚少，比如： 中微子的质量问题 。

而研究中微子其实有助于我们了解宇宙的过去，尤其是宇宙大爆炸前38万年内发生的事情，这是我们目前研究的盲区之一。

?中微子的震荡有3种？每种有什么具体区别,见下图3:

? 正反中微子-模型图

?三代中微子-模型图

图中＋－号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特（qubit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

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