中微子和反中微子“二律背反”

中微子可能是自身的反粒子，它的神秘性也許暗藏瞭如何解開早期宇宙“反物質去哪兒”難題的線索，宇宙學和天文學家相信，早期宇宙“紅方”的物質隊勝出，“藍方”的反物質隊失敗，今日宇宙的構成幾乎難尋反物質的蹤跡，可見的和不可見的物質屬於正物質一類。幾乎每一個物質粒子都有同伴的反物質粒子，正物質粒子和反物質粒子有同樣的質量和相反的電荷。正中有反，反中有正”的中微子悄無聲息地穿越地球和人們的身體，不帶走一絲人們的喝彩，從中微子和其它物質粒子的相互作用中展現了自身的特性，科學家從中判斷捕獲的中微子是正粒子，還是反粒子。

特定中微子和反中微子的性質讓科學家感到迷惑不解，它們也許是同一個粒子，或中微子可能是自身的反中微子，不只是中微子和正反粒子產生了重合，膠子、希格斯波色子也被認爲是它們自身的反粒子，如果科學家發現了中微子是自身的反中微子，那麼這樣的發現滋生了新的線索，中微子也許從某個地方獲得了微小的質量，它們在物質占主導地位的今日宇宙也許扮演了一個關鍵性的角色。

狄拉克對陣馬拉納

反物質概念最早出現在1928年，當時的英國物理學家保羅·狄拉克創立了著名的狄拉克方程，他的物理研究方式產生了震撼性的影響，狄拉克着力找到一個問題的答案：當電子以接近光速運動時發生了什麼現象，但狄拉克的計算出現了一種奇怪的情形，電子有時需要攜帶負能量。西北大學的理論物理學家安德烈·德·古維爾解釋說，當狄拉克寫下著名的方程式時，他已經意識到反粒子的存在，從他的方程式可以推導出反粒子。1932年，物理學家卡爾·安德森發現了狄拉克預測的電子的反粒子同伴，安德森將電子的反粒子稱爲正粒子或“正電子”，正電子和電子結構相同，但正負電子攜帶的電荷相反。

狄拉克預測的反粒子除了有相反的電荷以外，反物質粒子還有相反的手性。當一個運動的粒子沿同樣的方向旋轉時，它被認爲偏右手性；當一個運動的粒子沿相反的方向旋轉時，它被認爲偏左手性。狄拉克方程允許中微子和反中微子表現爲兩種不同的粒子，以此可能存在4種類型的中微子，即：左手性和右手性中微子；左手性和右手性反中微子。如果中微子沒有質量，那麼科學家就會推斷，只有左手性中微子和右手性反中微子存在的可能。1937年，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納首次公佈了一個理論，他認爲中微子和反中微子實際上是同一種粒子，馬約拉納方程式描述了中微子有質量的情形，有質量的中微子可能轉化爲反中微子，然後再一次轉化爲中微子。

物質和反物質不平衡

中微子的質量是否爲零？始終是一個謎題，直到1998年，當時的日本超級神岡探測器和加拿大的薩德伯裡中微子觀測站的物理學家在實驗中發現，中微子含有一丁點質量，2015年，兩個科學團隊的實驗成果得到了諾貝爾物理學獎委員會的認可，從那時開始，中微子物理的實驗研究迅速地波及到亞洲、歐洲和美洲，而科學家正在尋找中微子有自身反粒子的線索，其中的關鍵證據與所謂的輕子數守恆定律有關，而輕子數守恆是粒子物理的基本規律，這意味着輕子和反輕子數量在相互反應的過程中保持不變，或在相互反應事件發生的前後，輕子和反輕子數量相等。

宇宙物理學家通常認爲，在宇宙大爆炸發生的瞬間，宇宙含有同樣數量的物質和反物質，兩種類型的物質粒子發生了相互作用，在正反粒子發生相互湮滅的作用中，什麼物質也不能留下，湮滅的物質全部轉化爲能量，但確實有一些物質“存活”下來，今日宇宙存在大量的物質。如果發現輕子數的不守恆現象，那麼將會出現一個“漏洞”，科學家以此可以解釋目前宇宙中物質和反物質數量不平衡的問題，中微子的相互作用可能是揭示漏洞存在的場所。

無中微子雙貝塔衰變

斯坦福直線加速器中心（SLAC）的理論物理學家亞歷山大·弗裡德蘭德是中微子研究的權威之一，他解釋說科學家正在尋找那些違反輕子數守恆的事件，搜索對象落在了所謂的雙貝塔衰變過程，在通常情形下，雙貝塔衰變中的一個原子核會衰爲不同的原子核，同時放射出兩個電子和兩個反中微子，輕子物質和輕子反物質在衰變過程的前後保持了平衡或輕子數守恆。如果中微子是自身的反粒子，那麼反中微子在雙貝塔衰變時被釋放出來，這些中微子可能發生了相互的湮滅作用，從而破壞了輕子數的守恆定律，物理學家稱之爲無中微子雙貝塔衰變，中微子相互湮滅的過程可能偏好物質，丟棄反物質，從而產生物質和反物質數量的不平衡。

在人們理解粒子如何獲得它們的物質存在時，無中微子雙貝塔衰變可能引起一場深刻的變革，從中產生一些非常高能級的新物理規律，在人們知曉和傾力的粒子物理標準模型之外，也許存在某種新物理學。中微子和反中微子可能不同，有兩種中微子和反中微子態，好像狄拉克方程式揭示的那樣，另外兩種中微子和反中微子態似乎迷失了，物理學家至今沒有找到。

對無中微子雙貝塔衰變規律的發現也許成爲一種跡象，馬約拉納提出過替代性的中微子和反中微子概念，已有一些非常不同的實驗，這些實驗與暗物質實驗有相似性，從表面上看來，兩種實驗的環境都非常安靜，都有一塵不染的探測器，避免了外界的放射性干擾，“過濾”了浮躁心理的科學家一門心思地研究原子核的對象。物理學家目前仍然在評估對難以琢磨粒子的理解，耶魯大學的雷納·丸山教授參與了一種無中微子雙貝塔衰變實驗，他認爲在中微子物理學領域有許多令人吃驚的現象，科學家思考了未知現象的物理意義，而解釋未被解釋的物理現象，這是物理學家遭遇和感受的真正機遇和挑戰。

如果宇宙最早期的物質數量和反物質數量剛好相等，那麼物質世界將不會存在，人類不能誕生，物質世界的存在和人類的誕生根源於物理學的規律，人們對物理學規律的認識不斷深入。不是什麼都沒有，至少物質世界的存在決定了“我思故我在”。天文學家最近在太陽系邊緣發現了“第九顆行星”，構想了時間倒流的鏡像宇宙，指出了最遙遠的星系也是最昏暗的星系，類星體是最明亮，最強能量的早期星系，天文學家發現了來自河外星系的伽瑪射線，在銀河系發現了“第二個黑洞”，太陽磁場走向反轉，制定了月球資源開採的計劃，發射了各種太空探測器等。天體不會停止演變的步伐，人類不會停留在既有的科技水平上。

（編譯：2016-1-21）