活性中微子与惰性中微子

　　普通中微子也称作活性中微子（active neutrinos），其概念最早由奥地利理论物理学家沃夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1930年底提出，是粒子物理学的标准理论中已经包括了的、电中性且自旋为二分之一的费米子。它们几乎无处不在，可以产生于宇宙大爆炸、星系活动、超新星爆发、太阳中心和地球内部，以及核反应堆与粒子加速器。在标准模型的框架内，中微子只有左手征（而反中微子只有右手征），没有静止质量，只参与弱相互作用，以光速在空间传播。普通中微子分为电子型、缪子型和陶子型三种不同的类型，它们和各自对应的带电轻子共同构成了轻子的三个家族。

　　沃夫冈·泡利

　　惰性中微子（sterile neutrinos）属于尚无可靠实验证据的假想粒子，最初是由意大利理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）在1968年左右提出来的，指的是不参与标准的弱相互作用过程的中微子，因此通常被理解为超越标准模型三代轻子框架的新型粒子。

　　布鲁诺·庞蒂科夫

　　目前在实验和理论上广受关注的惰性中微子按其质量范围大致可分为如下几种类型：

　　1）处于电子伏（eV）左右或以下、与美国液体闪烁器中微子探测器（LSND）等中微子振荡实验所暗示的“反常”效应相关联的轻惰性中微子；

　　2）处于千电子伏（keV）左右、可能的温暗物质的候选者；

　　温暗物质（WDM）是理论上性质介于热暗物质和冷暗物质之间的暗物质，经常以keV质量的惰性中微子作为WDM的代表。

　　3）处于大统一能标以下几个数量级的区域、与“跷跷板机制”（Seesaw mechanism）和“轻子产生机制”（Leptogenesis mechanism）相关联的超重惰性中微子；

　　跷跷板机制：一种通过引入新的重自由度来自然地压低活性中微子质量的理论机制。如果以电弱对称性自发破缺的能标作为跷跷板的支点，那么一端放上“重物”，另一端自然就轻飘飘地翘起来。后者即代表轻的中微子质量。

　　轻子产生机制：通过“翘翘板机制”引进的重马约拉纳中微子在宇宙早期的衰变可以导致宇宙空间中轻子与反轻子在数目上的不对称，后者进一步通过电弱反常过程转化为重子与反重子在数目上的不对称，其中重子略多于反重子。随着宇宙的膨胀和冷却以及物质与反物质粒子的成对湮灭，最终遗留下来的重子成为构成今天的物质世界的种子。这一理论机制就是解释当今宇宙的物质-反物质不对称现象的“轻子产生机制”，它使得中微子在宇宙学中的角色更加重要。

　　4）从千兆电子伏（GeV）到万亿电子伏（TeV）这一可被大型强子对撞机以及较低能加速器搜寻的能区、但缺乏明确理论预言或实验暗示的未知惰性中微子。

　　宇宙空间中是否真的存在惰性中微子？假如存在，它们有几种不同的类型？它们与普通中微子有微小的混合效应吗？诸如此类的问题至今尚无明确的答案。

　　mass与flavor本征态

　　值得特别注意的是，不论活性中微子还是惰性中微子都有质量（mass）本征态和味道（flavor）本征态之分。mass本征态描述的是中微子作为自由粒子运动时所处的状态，而flavor本征态描述的是中微子参与弱相互作用时所处的状态。倘若中微子没有质量（或者它们的质量完全简并），两者其实是等价的。但自1998年以来一系列与大气、太阳、反应堆和加速器相关的振荡实验表明，普通中微子其实具有微小的质量，而且它们的质量态与相互作用态之间存在较大的不匹配——后者通常用包含较大混合角的中微子混合矩阵来表述。

　　既然中微子的质量态不同于它们的相互作用态，那么当我们说到右手中微子的时候，指的是具有右手征的质量态，还是具有右手征的相互作用态呢？这一点常常让很多人感到困扰。

　　为了让标准模型中的普通中微子获得有限的质量，一个最简单的办法就是引入右手中微子场（电弱SU(2)群的单态），与已有的左手中微子场以及希格斯场搭配构成汤川（Yukawa）相互作用项，后者在希格斯场获得真空期望值后就蜕变成中微子质量项，即通常所谓的狄拉克（Dirac）型中微子质量项。中微子一旦获得了有限的质量，那么它一定同时具有左手征和右手征，但只有左手征的场参与标准的弱相互作用。因此诸如“很重的右手中微子”和“很轻的左手中微子”的表述，都是不够准确的。换句话说，中微子的轻重与它们的手征是左手还是右手没有关系。

　　保罗·狄拉克

　　人们在研究惰性中微子时，通常都假设它们与普通中微子有微小的混合效应，否则它们的存在就无法在弱作用过程中体现出来，而只能通过引力效应表现了，但引力效应却无法告知相关粒子的非引力特性。惰性与活性中微子的有限混合意味着活性中微子的味道态是它们的质量态与惰性中微子的质量态的线性叠加态，于是惰性中微子就可以通过与活性中微子的“混合”关系，间接地参与标准的弱相互作用过程，并由此影响后者的相关可探测量。例如，一旦某一活性中微子味道本征态振荡到实验上无法测量的惰性中微子味道本征态，那么远点探测器所测量到的活性中微子的总通量就会小于不存在惰性中微子时的理论预期，从而在实验数据上体现为某种“反常”。

　　惰性中微子 ≠ 右手中微子

　　既然惰性中微子有质量，它们当然同时具有左右手征，因此那种认为惰性中微子就是右手中微子的说法，是有问题的；反过来，把右手中微子看作惰性中微子，也是不准确的。严格说来，“右手中微子”指的中微子的右手态，而“惰性中微子”可能指的是质量态，也可能指的是相互作用态。

　　如果在讨论的时候对具体概念不加以限制和澄清，则很容易导致误解。比如在第一类“跷跷板”机制中，重的惰性中微子的左手态也会与带电轻子发生带电流反应，只不过相应的耦合系数非常小而已。同理，轻的惰性中微子的左手态具有类似的特点。注意，这里我们在提及惰性中微子时，已经使用了“轻的”或者“重的”修饰语，意味着我们其实讨论的是质量本征态。

　　其实通过“跷跷板”机制所产生的中微子质量项，是马约拉纳（Majorana）质量项，或者说对应的中微子是马约拉纳中微子。与狄拉克中微子不同，马约拉纳中微子的反粒子就是它自身——这一表述的前提是中微子处于质量本征态，即具有确定的质量的粒子态。鉴于此，人们无法为马约拉纳中微子定义确定的轻子数（lepton number），否则将导致中微子的轻子数（＋1）等于反中微子的轻子数（-1）的荒唐结果。换句话说，马约拉纳中微子破坏轻子数，因此它们可以传递诸如无中微子的双贝塔衰变等稀有过程，这些过程是探测中微子的马约拉纳属性的最现实的实验窗口。

　　马约拉纳

　　普林斯顿高等研究院的保罗·朗伽克（Paul Langacker）教授曾指出，惰性中微子经常被称作右手中微子，这种叫法当涉及马约拉纳质量时是令人困惑而且不合适的。原因很简单，活性中微子场的左手态的电荷共轭其实具有右手征，故而该左手征的场及其电荷共轭的场就可以构成一个马约拉纳质量项，但这里的右手中微子“场”其实来自左手中微子“场”的电荷共轭，所以并非惰性的！

　　总结一下，容易造成误解的主要原因是在文献和口语表述中人们往往省略、忽略或者混淆了“中微子”（粒子）与“中微子场”的区别，或者“质量本征态”与“味道本征态”的区别。尤其要注意的是，即便是通常所说的“活性”中微子，它们的“右手”场在狄拉克情形也是“惰性”的。

　　作者感谢与周顺和李玉峰两位专家的有益讨论。

　　2017年8月12日，邢志忠。