中微子質(zhì)量_宇稱(chēng)不守恒_中微子振蕩及其他

1、問(wèn)題討論中微子質(zhì)量,宇稱(chēng)不守恒,中微子振蕩及其他倪 光 炯(復(fù)旦大學(xué)物理系 上海 200433)*摘 要 中微子有靜止質(zhì)量是與宇稱(chēng)不守恒的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾的.而假如它是超光速粒子而有非零的固有質(zhì)量(如近年來(lái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所顯示的那樣),才能與宇稱(chēng)不守恒相容.文章從這個(gè)新觀點(diǎn)討論了有關(guān)中微子五個(gè)方面的研究課題.關(guān)鍵詞 中微子,質(zhì)量,宇稱(chēng),超光速粒子,快子NEUTRINOMASS,PARITYVIOLATION,NEUTRINOOSCILLATIONANDOTHERTOPICSNIGuang Jiong(DepartmentofPhysics,FudanUniversity,Shanghai 200433

2、,China)稱(chēng)守恒的四分量中微子理論.換言之,中微子一旦有1 引言 一個(gè)不解之謎1956年宇稱(chēng)不宇恒的歷史性發(fā)現(xiàn)提出了二分量中微子理論31,2靜止質(zhì)量,不論多么小,必定與宇稱(chēng)不宇恒的實(shí)驗(yàn)事后,為解實(shí)相矛盾.許多年以來(lái),這對(duì)筆者來(lái)說(shuō)一直是個(gè)不解之謎,但文獻(xiàn)上似乎從未對(duì)此有過(guò)認(rèn)真的討論.釋有中微子參與的弱相互作用過(guò)程,李政道、楊振寧,其物理實(shí)質(zhì)是假定自2 中微子可能是超光速粒子,才能夠與宇稱(chēng)不守恒相容中微子質(zhì)量m 的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值是根據(jù)相對(duì)論公式:E=Pc+m c22224然界只存在左旋中微子( L)與右旋反中微子( R)而不存在右旋中微子( R)與左旋反中微子( L).中微子這種永久縱向極化的性質(zhì)

3、之所以可能,是因?yàn)楫?dāng)時(shí)中微子質(zhì)量被認(rèn)為等于零,因而 L與 R永遠(yuǎn)以光速(c)的速度u(u=c)運(yùn)動(dòng),同時(shí)一切觀察者所在的慣性系(S與S 等)間的相對(duì)速度v都不可能超過(guò)c(v<c)的緣故.可是從20世紀(jì)70年代以后,從氚的 衰變等實(shí)驗(yàn)分析逐漸顯示:中微子可能具有非零的質(zhì)量.問(wèn)題就立刻變得尖銳起來(lái):假如中微子是亞光速的Dirac粒子(如電子那樣),具有微小的靜止質(zhì)量m ,設(shè)它在S系以速度u<c運(yùn)動(dòng),則當(dāng)S 系觀察者以速度v相對(duì)于S系運(yùn)動(dòng),又設(shè)v平行于u且v>u時(shí),他將看到一個(gè) L變成 R,一個(gè) R變成 L,于是中微子不可能是永久縱向極化的了.我們?nèi)詫⑿枰罹?(1)來(lái)定義的.它的

4、能量E已很難測(cè),更不用說(shuō)動(dòng)量P4了.因此實(shí)驗(yàn)的精度(置信度)一直不高.然而到1996年時(shí),全球平均的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已顯示子( e)的質(zhì)量平方是負(fù)的(c=1):m( e)=-27!20eV.225電子中微(2)后來(lái)實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步控制 粒子能量在源中的損失,把1991 1995年間被認(rèn)為不可靠的9個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)* 2001-05-30收到初稿,2001-09-13修回通信地址:DepartmentofPhysics,PortlandStateUniversity,Portland,OR97207,USAE mail:gj排除掉,在2000年的粒子表中給出新的全球平均值,它縮小了,但仍然保持為負(fù)值:m( e)=

5、-2 5!3 3eV,中微子( )的情況也是類(lèi)似的66(2)天體中的暗物質(zhì)問(wèn)題.許多學(xué)者認(rèn)為:中微14子是暗物質(zhì)最可能的侯選者之一.筆者也認(rèn)為:暗物質(zhì)問(wèn)題與3K宇宙背景輻射是聯(lián)系起來(lái)的,而中微子究竟是亞光速粒子(具有微小靜質(zhì)量m0)或超光速粒子(具有微小的質(zhì)量ms)將可能有不同的觀測(cè)效應(yīng).(3)1987年超新星爆發(fā)(SN1987A)時(shí),兩個(gè)實(shí)驗(yàn)15室獲得的中微子數(shù)據(jù)是極其寶貴的,筆者希望這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究人員和文獻(xiàn)14的作者能夠從中微子可能是超光速粒子這一觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析.(4)近年來(lái)關(guān)于中微子振蕩的實(shí)驗(yàn)報(bào)道被認(rèn)為16是證明中微子有靜止質(zhì)量的有力證據(jù).然而,根據(jù)(1)式或(6)式導(dǎo)出的

6、群速度(粒子速度)ug(ug=d/dk)與相速度up(up=/k)的乘積關(guān)系都是(文獻(xiàn)11中(8)式):ugup=c.(3):(4)m( 023MeV, )=-0 016!0!中微子 !是2000年剛在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn),至今尚未見(jiàn)到m( !)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).就筆者所知,在物理學(xué)界中,絕大多數(shù)人并不重視這個(gè)負(fù)號(hào),他們或者認(rèn)為(3)(4)二式在統(tǒng)計(jì)上沒(méi)有什么意義,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍與m =0相容;或者認(rèn)為即使中微子有微小的質(zhì)量,那一定是(Dirac粒子的)#靜質(zhì)量(或所謂Majo rana中微子,其反粒子就是自己,它也可能有非零的質(zhì)量,但這種理論與我們下面的觀點(diǎn)完全不同).只有極少數(shù)人認(rèn)真地討論m <0的

7、物理意義.例如Chodos等7和張操8,他們把m 改記為(-ms),而22ms為正實(shí)數(shù),稱(chēng)為#固有質(zhì)量(propermass)或#快子質(zhì)量(tachyonmass).則容易證明;中微子的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系變?yōu)?E=msc(7)由此可見(jiàn),假如中微子是超光速粒子(ug>c),必有up<c.因此三種中微子( e, , !)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,將可能來(lái)不及形成量子相干疊加態(tài),它們之間發(fā)生味混合,即所謂中微子振蕩的可能性將大大地被壓抑下來(lái).所以這個(gè)問(wèn)題的研究與中微子究竟是否超光速有密切的關(guān)系.(5)太陽(yáng)中微子#失蹤案.地球上測(cè)到的來(lái)自太陽(yáng)的(電子)中微子不到標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型理論預(yù)測(cè)的一半,目前傾向于用中微子振

8、蕩來(lái)解釋.筆者也希望有關(guān)專(zhuān)家能從中微子可能是超光速粒子的觀點(diǎn)重新予以計(jì)算,看一下在動(dòng)力學(xué)(目前的量子場(chǎng)論仍可用于超光速粒子)和運(yùn)動(dòng)學(xué)(相空間積分)上分別可能帶來(lái)什么變化.總之,在筆者看來(lái),當(dāng)前全世界粒子物理研究中,有兩類(lèi)實(shí)驗(yàn)是最重要的.一是用加速器從實(shí)驗(yàn)上找到Higgs粒子(我們從理論上計(jì)算,曾預(yù)測(cè)Higgs粒子的質(zhì)量應(yīng)在138GeV左右181716u-1P=msuu-14,(5)(6)E=Pc-msc.這意味著中微子是一個(gè)#超光速粒子,即#快子(tachyon),它的速度u>c.有關(guān)快子的文獻(xiàn)還可見(jiàn)文獻(xiàn)9.2為解釋m <0,即得到(6)式,張操依照Dirac的做法,提出一個(gè)量子方

9、程中1110,在隨后的共同研究,我們進(jìn)一步弄清楚這個(gè)方程的物理內(nèi)容,原來(lái)正反映了最大程度宇稱(chēng)破壞的中微子性質(zhì):它只允許有 L和 R這樣的解,而把另兩個(gè)解( L和 R)禁戒掉了.又因?yàn)樗鼈兪浅馑倭Ｗ?這種永久縱向極化性質(zhì)當(dāng)然在任何慣性系都可保持.簡(jiǎn)言之,中微子是超光速這一特性把它具有(固有)質(zhì)量與宇稱(chēng)(最大限度)破壞這兩件事統(tǒng)一起來(lái)因果性)的問(wèn)題也迎刃而解了1312,同時(shí)歷史上),第二類(lèi)是關(guān)于中長(zhǎng)期存在的所謂#超光速佯謬(超光速運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞.微子的實(shí)驗(yàn),后者因中微子可能是超光速粒子而顯得更誘人了.參12345673 關(guān)于中微子研究的五個(gè)課題在筆者看來(lái),為進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn),有幾個(gè)方面問(wèn)題需深入研

10、究:(1)根據(jù)(1)式測(cè)量m 的實(shí)驗(yàn)還是最直接的和極其重要的.一旦實(shí)驗(yàn)精度比(3)(4)式大為提高之后,中微子是否為超光速粒子將被確定下來(lái).考文獻(xiàn)812倪光炯.陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,3:1NiGJ.JournalofShaanxiNormalUniversity(NaturalScience),2001,3:1(inChinese)NiGJ.Superluminalparadoxandneutrino,Preprint,hep ph 0203060王較過(guò).物理,2000,11:682WangJG.Wuli(Physics),2000,11:682(inChinese)NiG

11、J,LouSY,LuWFetal.ScienceinChina(SeriesA),1998,41(11):120691314151617181011Holland,1978ChangT,NiGJ.Anexplanationonnegativemass squareofneutri nos.Preprint,hep ph 0009291NiGJ,ChangT.#Isneutrinoasuperlumindparticle?Preprint,hep ph 0103051前沿和動(dòng)態(tài)諾貝爾獎(jiǎng)得主的新貢獻(xiàn)2001年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)被授予在原子氣玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家:Eri

12、cA.Cornell,WolfgangKetterle和CarlE.Wie man.1995年,他們先后在Rb蒸氣和Na蒸氣系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了BEC.今天,全世界已有30多個(gè)研究小組開(kāi)展了這一領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)表了25000多篇科學(xué)論文.研究者們認(rèn)為,通過(guò)實(shí)現(xiàn)BEC可以提高原子鐘的精度,并使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度提高到10cm左右.此外,這項(xiàng)研究也與凝聚態(tài)物理的超導(dǎo)渦旋、超流渦旋密切相關(guān),與宇宙中天體之間以及天體內(nèi)部的相互作用密切相關(guān).最近,Ketterle所領(lǐng)導(dǎo)的小組完成了一個(gè)精巧的BEC渦旋實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)者在NaBEC中,通過(guò)激光束攪動(dòng)凝聚體的辦法,產(chǎn)生了100根以上的渦旋線.這些渦旋線構(gòu)成了穩(wěn)定的

13、Abrikosov三角晶格,正如在第&類(lèi)超導(dǎo)體中人們所見(jiàn)的磁通晶格.被攪動(dòng)的凝聚體具有圓柱對(duì)稱(chēng)性,攪動(dòng)激光束與對(duì)稱(chēng)軸平行,攪動(dòng)的圓頻率為#,凝聚體的截面積是A.于是,與超導(dǎo)體總磁通相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)通量等于2#A.在BEC中,與超導(dǎo)磁通量子0% 2e相對(duì)應(yīng)的環(huán)流量子&=% M,其中%是普朗克常數(shù)除以2.理論上,總渦旋數(shù)Nv=2#A (% M).攪動(dòng)作用減弱了磁勢(shì)阱的捕獲勢(shì),從而增加了凝聚體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.可以預(yù)期,在攪動(dòng)激光關(guān)閉以后,渦旋晶格將轉(zhuǎn)動(dòng)更快.測(cè)量表明,在長(zhǎng)達(dá)40s的渦旋壽命期間,Abrikosov晶格大約轉(zhuǎn)動(dòng)了100周,而每一根渦旋線周?chē)某黧w大約完成了500,000周旋轉(zhuǎn)

14、.與Ketterle小組的最新工作同步,Wieman和Cornell小組將注意力放在調(diào)整堿金屬蒸氣原子間相卷234561238723互作用上.對(duì)于已實(shí)現(xiàn)BEC的Rb蒸氣,原子間的相互作用是微弱的排斥;但對(duì)于同位素Rb,相互作用原本是吸引,它不利于BEC的實(shí)現(xiàn).表征原子間相互作用的微觀參量是散射長(zhǎng)度a.a>0對(duì)應(yīng)排斥,a<0對(duì)應(yīng)吸引.在原子的碰撞散射過(guò)程中,散射波是球?qū)ΨQ(chēng)的,其波函數(shù)(=ikre,r8587其中k是波矢,r是觀測(cè)點(diǎn)到散射核的距離.排斥相互作用的散射過(guò)程將引入180(的位相突變.Wieman和Cornell等通過(guò)外加磁場(chǎng)的辦法(Feshbach共振),令Rb原子氣散射長(zhǎng)度的符號(hào),在a>0和a<0之間迅速切換,在BEC中觀察到了因引力坍縮誘發(fā)的所謂#Bose-nova爆發(fā).巨大的恒星,當(dāng)其聚變能量耗盡,核心自由電子動(dòng)能所提供的#費(fèi)米簡(jiǎn)并內(nèi)壓抵抗不住重力坍縮,結(jié)果導(dǎo)致超新星(Supernova)爆發(fā).此刻,