微中子無所不在，卻也難以捉摸。從太陽的發光、超新星爆炸的壯景、到暗物質的探尋、乃至於宇宙中為何「物質多於反物質」的謎題，都與微中子有著密不可分的聯繫。

一、微中子是何方神聖？

物理學界的標準模型(Stanrd Model, SM)相當於化學界的元素週期表，裡面囊括了人類迄今所知道的所有基本粒子。這些粒子可以被分成兩大類別：第一種是傳遞交互作用的「玻色子」(boson)、第二種則是構成物質的「費米子」(fermion)。其中，費米子包含了兩大類：夸克(quark)與輕子(lepton)。日常生活中最常見的輕子就是電子(e^-)，另外還有緲子(muon, μ^-)與淘子(tau, τ^-)。但當你把視線往下移一排，你會發現這三種輕子都有對應的另一種基本粒子——微中子(neutrino)。

圖1-1 物理學中的標準模型。(Source: Wikipedia)

 

比較奇怪的是，所有粒子的質量幾乎都有一個確定值，唯獨「微中子」這一整排的質量前面都冠有一個「小於(<)」符號，也就是說：我們似乎只知道它們質量的「上限」。這一事實也意味著，這些粒子或許特別小、小到連質量都很難界定，這也解釋了「微中子」的「微」字由來。至於它們的電荷都是中性，因此「微中子」這個名稱就這麼概括了它們的基本特徵。

那麼，微中子又是怎麼被發現的呢？微中子並不是這幾十年來才被提出的東西，其實它的提出甚至比「中子」(neutron)被發現的時間還早。時間推回20世紀初，當時各種涉及原子核尺度的實驗如雨後春筍般萌芽。其中一個重要的實驗就是「β衰變」，這個衰變描述了中子如何透過釋放電子轉變為質子，物理學家預期電子的能量理應是單一分布，但實驗結果卻是連續的、意味著電子的能量被瓜分，有悖能量與動量守恆。至於是被誰瓜分走了呢？1930年，物理學家沃夫岡·包立(Wolfgang Pauli)在一封信中大膽提出，可能還有某種隱藏的電中性粒子存在；兩年後，查兌克(James Chadwick)發現了構成原子核的中子，為了區分兩者，隨後恩里科·費米(Enrico Fermi)便將其命名為「微中子」。

根據費米的解釋，β衰變（或者更精確地說，β^-衰變）的過程如下：

$$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$$

這個過程直觀上來看也符合了電荷守恆、以及爾後粒子物理學提出的輕子數守恆：

• 電荷守恆：中子不帶電，電荷數為零（$Q = 0$）；右半部質子帶正電荷（$Q = 1$）、電子帶負電荷（$Q = -1$），反微中子則是電中性（$Q = 0$）。左右半部電荷總量相等，因此電荷守恆。

• 輕子數守恆：輕子的輕子數為 $+1$，反輕子則為 $-1$，非輕子則為 $0$。中子、質子皆為 $l = 0$，電子 $l = 1$，反微中子則為 $l = -1$。左右半部輕子數總和各為零，因此輕子數守恆。

而微中子在實驗中初次被證實，則要等到1950年代科溫(Clyde Cowan)與萊因斯(Frederick Reines)的發現。

前面也提過，微中子有三種類型，對應到三種不同的輕子。區辨的方式最主要就是取決於實驗中伴隨產生的粒子。舉例而言，前面提到的β衰變中，微中子伴隨著正電子或電子產生，因此對應到的就是「電微中子」(electron neutrino)。而緲微中子(muon neutrino)與淘微中子(tau neutrino)則分別在1962年與2000年陸續被發現。在粒子物理學中，和六種夸克一樣，我們把三種不同的微中子類型用以「味」(flavor)來描述，也就是說微中子有三種風味——這裡的「味」指的當然不是嚐起來的口味，而是一種類似於「電荷」這種屬於粒子本身的內稟性質。

二、難以捉摸的神秘粒子？

目前為止，我們似乎還沒有見識到微中子的神秘之處。

宇宙中數量最多的粒子是光子，但如果是費米子家族的，數量最多的不是電子、恰恰是微中子。當我們面向太陽，大概平均每秒鐘就有數千兆個微中子穿過你我的身體。之所以絲毫沒有感覺，其中一個原因是微中子和光子一樣幾乎沒有質量——留意這邊我們用的詞是「幾乎」；然而，在現有的粒子物理理論中，微中子的質量為零。這裡就自相矛盾了：要不是微中子真的質量為零、就是標準模型出了問題。

在開始討論微中子的質量之前，讓我們繼續闡述一下微中子究竟還有哪些特性。除了謎一般的質量以外，微中子最重要的性質之一，就是它們只參與弱交互作用與重力交互作用——這點幾乎可以說是微中子與光子、電子它們最大的區別。弱交互作用主要由W^±與Z玻色子傳遞，主宰了粒子的「衰變」，從前述β衰變我們已經知道了微中子會參與一些衰變的過程，同時這也是歷史上人們探測到微中子的主要管道。電子和光子雖然也是相當微小的粒子、後者甚至質量為零，但因為至少都還有參與電磁交互作用，使得感測到它們的存在並非難事。要知道，對於人類來說，電磁交互作用是最常見、也是最常被應用到的物質交互作用，從國中到大學物理課上，除了萬有引力（重力）與近代物理的課程以外，所接觸到的內容絕大多數都屬電磁交互作用的範疇。要想探尋肉眼不可見的基本粒子，終究還是得借助粒子與物質之間的交互作用，現今絕大多數實驗也是透過帶電粒子或者光子產生的訊號來探測。

但微中子就不一樣了，弱交互作用本身尺度相當短、重力交互作用則在次原子粒子的尺度下幾乎小到可以忽略不計，這將使得微中子很難從生活中被儀器所探測到。事實上，從太陽內部核融合反應產生的微中子，絕大多數都直接穿過地球、毫不停滯。

而微中子幾乎不參與物質交互作用的性質，意味著它們相當難被探測到。直至現今探測微中子的實驗中，我們往往仍透過捕捉其他粒子軌跡的方式來推測出微中子的存在、而非直接偵測。比如「粒子時態成像室」(Time Projection Chamber, TPC)就是透過記錄電子、或者宇宙射線伴隨的緲子等帶電粒子的軌跡，間接從影像上來推論微中子所參與的交互作用，而這部分我們也會在後續的文章做深入介紹。

三、何去何從？——微中子數量之謎

1960年代，人們透過觀測由太陽內部核融合反應產生並抵達地球的微中子，發現了一個離奇的現象：被偵測到的微中子數量，似乎只有理論預測的三分之一左右。這項發現最早源於美國的霍姆斯塔克實驗(Homestake experiment)，而這個攸關「來自太陽的微中子何去何從」的謎團，被稱為「太陽微中子問題」(solar neutrino problem)。起初人們認為也許是太陽內部的核反應模型需要修改，但在往後數十年所進行的各項實驗紛紛表明，問題出在微中子本身、而非太陽。

除了太陽產生的電微中子以外，1998年日本超級神岡探測器(Super-Kamiokande, Super-K)也從實驗中發現：大氣中由宇宙射線所產生的緲微中子，從地面偵測到的也比預期中少了約一半之有。順帶一提，超級神岡也是最早偵測到來自超新星爆炸微中子的探測器，其領導人小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)也在2002年因為微中子領域的卓越貢獻獲頒諾貝爾物理學獎。時間回到1998年，在超級神岡探測器發現大氣微中子的數量異常後，隔年也再度檢測出了太陽微中子的缺失。2001年，加拿大薩德伯里微中子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory, SNO)的實驗中更進一步確定了太陽微中子的數據。至此，太陽微中子的疑團總算得到了解答。

簡單來說，這兩項實驗發現了：飛行中的微中子會在三種不同種類（也就是「味」）之間互相轉換，比如太陽產生的電微中子會在半路上變成了緲微中子或淘微中子，以至於偵測到的數量會與預期相異（約原本的1/3）——而這個奇妙的現象被稱為「微中子振盪」(neutrino oscillation)，相當於在不同的「味」之間來回「振盪」。奇妙在哪？妙就妙在它並不是像衰變那樣系統性的過程，而是源於微中子與生俱來的特性。你可以想像成在州際公路上、有一輛高速行駛中的黑色轎車，坐在觀測站的你率先紀錄好車子的特徵與車牌編碼；然而就在幾分鐘後的另一個站點，你的同事卻發現那台車竟然變成黃色的廂型車、即使駕駛與車牌都沒變！

圖3-1: 大氣微中子的產生 (https://neutrinos.fnal.gov/sources/atmospheric-neutrinos/)

Super-K的實驗中發現了大氣中的緲微中子會變成淘微中子，而SNO實驗則確立了太陽微中子問題同樣源自於微中子振盪，兩項實驗中，來自日本的梶田隆章(Takaaki Kajita)與來自加拿大的亞瑟·麥克唐納(Arthur McDonald)也因此獲頒2015年的諾貝爾物理學獎。梶田隆章同時也是小柴昌俊的學生，比較可惜的是，同樣作為小柴門徒、梶田導師之一且有卓著貢獻的戶塚洋二(Yoji Totsuka)，在2008年便已癌逝、與之後的諾獎擦身而過。

微中子振盪已經被實驗證實，這也算是物理史上極其罕見、先出現「實驗證據」再直接挑戰「理論模型」的案例。然而其產生機制仍是迄今物理學界重要的研究課題之一，不僅如此，它的存在也佐證了一項事實——微中子具有質量。

 

四、微中子是先天的「左撇子」？

那麼，問題來了：微中子如果有質量，標準模型不就出問題了？誠如前文所述，現有的粒子模型中、微中子「與生俱來」不帶有質量，然而實驗卻否定了這個結論。

讓我們先來談談標準模型中微中子質量為何為零。在標準模型的電弱交互作用(electroweak interaction)理論中，包含微中子在內的費米子質量，可以透過希格斯場(Higgs field)與湯川耦合(Yukawa coupling)所獲得。弱交互作用中只有左手性的費米子參與，也就是說，標準模型裏的微中子必須左手性的(left-handed)，我們也尚未發現右手性的微中子（或者左手性的反微中子）。那麼，這又為何意味著微中子質量必須為零？首先對於「左」、「右」手性我們可以用螺旋度(helicity)的概念來簡單理解：左手性代表自旋方向與粒子動量方向相反，反之，如果自旋與動量方向平行則是右手性。假如質量不為零，這代表粒子的運動速度需低於光速，想像你正在觀測一個「左手性」的微中子（運動方向朝右，自旋朝左），這時如果我們以略大於粒子的速度運動並追趕上它，從我們的參考系觀測，就會發現粒子向左運動，此時粒子動量方向從「我們的視角」看上去就會是與自旋方向相同、從而成了「右手性」的（開車時如果我們速度比鄰車快，鄰車看上去就像是「向後」行駛）。換句話說，只要粒子質量不為零，運動將低於光速，我們也必然在不同的參考系下觀測到右手性的微中子；但標準模型中並不允許右手性微中子的存在，也意味著我們理應無法透過變換參考系就觀測到，這表示：微中子必須恆定保以光速運動、質量也就必須為零。

圖4-1: 微中子左右手性示意圖：自旋與動量方向相反為左手性，反之則為右手性。現有的標準模型僅允許左手性微中子與右手性反微中子 (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/neutrino3.html)。

 

五、未完待續：微中子走入科學的世紀才剛開始

與此同時你可能也會好奇：微中子振盪何以成為「微中子質量非零」的鐵證？這個奇妙的效應可以透過量子力學來解釋，簡單來說，如果微中子的質量為零，理論上就不會發生「味」的週期性變化、也就是微中子振盪。至於有哪些因子決定了這種振盪發生的機率？微中子振盪背後的機制又是什麼？我們也會在下一篇文章中詳述其概念由來。

此外，實驗觀測證明了微中子振盪、這意味著微中子具有非零質量，而這也表示右手性的微中子應該要被觀測到；而一旦被發現，是否表示原本「禁止右手性微中子」的標準模型就需要改寫了？這些右手性的微中子存在於自然界嗎？從場論的觀點來看，一旦微中子獲得質量，那就意味著必然有左、右手兩種特徵態。但重點就在於：只有左手性的微中子會參與弱交互作用。我們知道，一般的微中子本身只介入重力與弱交互作用，而這已經使得觀測上有一定難度；但如果是右手性微中子，它們可能只參與重力交互作用，這也解釋了為何至今我們尚未從實驗中明確觀測到，而這些「極其低調」的右手性微中子被稱為「惰性微中子」(sterile neutrino)。從微中子質量的生成機制、到右手性微中子或者惰性微中子的存在與否，這些都已經是「超越標準模型」(Beyond the Standard Model, BSM)的議題了，我們也將在下篇文章探索更多細節。

從上世紀微中子的發現後，到近二、三十年來微中子振盪的證實，人們才開始意識到：原來這些無所不在的微小粒子似乎藏有更多不為人知的玄機，而這些玄機甚至可以延伸到宇宙太初時期的奧秘、乃至於解開物質何以多於反物質的謎團。

人類對於萬物源起的探尋從未止步，微中子的時代才正要展開。