测试“跷跷板模型”，揭示中微子质量之谜

　　中国科学家关于中微子质量模型探测的研究，近日得到了世界上最大型的粒子物理学实验室——欧洲核子中心的特别关注。

　　大型强子对撞机中国合作组之一、北京大学高能物理CMS组李强团队对解释中微子小质量来源的“跷跷板模型”进行了新的检验，结果为大型强子对撞机的数据挖掘打开了新的窗口。

　　“难以捉摸”的质量

　　中微子被认为是自然界中最让人好奇的粒子，科学家们执着于揭示它的特性与质量等“身世之谜”。

　　1934年，著名物理学家费米将一种“类似于幽灵、能导致能量丢失的粒子”命名为中微子，其意为 “小且中性的粒子”，以此区别于大质量且中性的中子。

　　后来不断有实验证实，自然界至少存在3种形式的中微子，也称3种“味道”：电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，它们分别与带电轻子（电子、缪子和陶子）对应。

　　大约20年前，在中微子振荡的实验研究中，测量到一种“味道”的中微子自发地变成另一种“味道”的中微子，从而确定了中微子具有微小但非零的质量。

　　尽管科学家们为测量中微子的质量做出了最大的努力，但也只能确定中微子的质量上限。目前最好的结果为德国卡尔斯鲁厄理工学院的国际氚中微子实验（KATRIN）给出的：中微子质量小于0.8电子伏特。

　　在标准模型中，有一个“希格斯机制”——赋予粒子质量，它还揭示了，不能被分解成更小成分的粒子可以通过与希格斯玻色子相关基本场的相互作用获得其质量，比如夸克和电子。

　　然而，中微子是一个例外，希格斯机制无法解释它们的质量，中微子的质量起源仍然是个谜团。

　　值得期待的“跷跷板”模型

　　1978年，诺贝尔物理学奖获得者史蒂芬·温伯格构建了一个数学模型，暗示存在非常大质量的马约拉纳型中微子，而且这些中微子在目前可获得的碰撞能量下无法被直接观测到。

　　然而，这些马约拉纳型中微子可以与标准模型的中微子相互作用，导致标准模型的中微子质量很小但不为零，这也正如实验所观察到的一样。此外，这些马约拉纳中微子的质量越大，标准模型中微子的质量就越小，这一假说被称为 "跷跷板模型"。

　　李强解释，这种“跷跷板”模型，即把已知的轻中微子和假设的重中微子配对。在这个模型里，较重的中微子在“跷跷板”上扮演一个“大孩子”的角色，通过抬起较轻的中微子而使它具有较小质量。不过，使用“跷跷板”模型是有条件的，即中微子是马约拉纳粒子——反物质粒子是其自身。

　　不过，这种对非零中微子质量起源的解释又引发了另一个难题：今天人们所知的宇宙是如何几乎完全由物质构成的，而几乎没有任何反物质的痕迹。

　　李强团队测试研究了这一“跷跷板”模型。他们利用CMS探测器在2016年至2018年期间收集的LHC高能碰撞数据，通过一种可以称为矢量玻色子融合的特殊过程来寻找产生的马约拉纳中微子。

　　“如果这个过程发生，碰撞事件将产生两个具有相同电荷的μ子(电子的重质量兄弟)，两个总质量较大且彼此相距较远的粒子喷柱，并且不产生中微子。”李强说。

　　期待更多数据验证

　　实验数据中信号事件的数量与本底过程非常吻合，没有在数据中发现马约拉纳中微子的迹象。不过，研究人员能够为“跷跷板模型”中用于描述已知轻中微子和假设的重中微子之间的量子混合的参数设定新的边界值。

　　CMS国际大型合作组认为，这项最新的研究不仅改进了之前的实验结果，并且对温伯格和马约拉纳的两种假设作了约束，这些结果为大型强子对撞机的数据挖掘打开了新的窗口。

　　欧洲核子中心认为，这些研究成果包括对质量大于6500亿电子伏特（650 GeV）的重马约拉纳中微子的边界值探究，并且对质量大于2万亿电子伏特（2 TeV）直至25TeV的重马约拉纳中微子进行了首次直接限制。

　　值得期待的是，大型强子对撞机在4月22日已重启成功，并将于今年夏天重新进入对撞模式。

　　“我们正在准备利用新的数据，继续推进跷跷板模型的探索，同时也将对变化的跷跷板模型（比如高维度算子结构）进行研究。”李强告诉《中国科学报》。

CMS装置（来源：欧洲核子中心）