中微子、引力波和跷跷板机制

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中微子、引力波和跷跷板机制

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编辑 | 韩若冰、琵思佛

编译 | 董唯元、刘航、于槐、刘天同

为什么宇宙中的普通物质比反物质多？为什么实验中只观测到左旋中微子，却不见右旋中微子？为什么理论上应该为零的中微子静质量实际却不为零？为什么这个不为零的静质量又如此离奇的微小？这一系列问题不仅直接挑战着标准模型理论，也深刻联系着宇宙暗物质等其他更多的未解之谜。

在目前所有理论中，有一个被称为跷跷板机制（Seesaw Mechanism）的理论，非常优雅地一举解决了上述所有问题。这一理论通过引入高能标粒子扩展了标准模型，并通过高能标粒子与左旋中微子的相互作用，使后者带上微弱的质量。

跷跷板机制又分为很多种，其中I型跷跷板理论最为简洁易懂，也最为流行。在I型跷跷板理论中的高能标粒子就是右旋中微子，也称惰性中微子。其背后的数学，简略而言，主要是一个2×2矩阵的两个特征值

                               
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，其绝对值分别对应左旋中微子质量ML和右旋中微子质量MR，容易看出 ML·MR=a2，当MR越大，ML就会越小，如同跷跷板的两端，理论也就由此得名。

该理论虽然简洁优美，但对其进行实验验证则困难巨大。因为按照理论推算，右旋中微子的质量能标大约为109~1015eV，也就是说最小也相当于一个氢原子的质量，最大则相当于一个病毒的质量！尽管右旋中微子的质量远超所有重子（Baryon）和介子（Meson），但按分类仍属于轻子（Lepton）。若想使基本粒子间相互作用后，剩余的“残渣”仍然具有如此大的能量，以我们现有的技术肯定无法实现，其难度甚至超过了人工制造一个可以持续存在的黑洞。

最近，一个研究团队颇具创意地提出，可以通过宇宙中的引力波来探测右旋中微子的形成，从而验证I型跷跷板理论。这一研究成果在2020年1月28日发表于《物理评论快报》[1]，作者包括美国研究者Jeff A. Dror，日本研究者Takashi Hiramatsu和Kazunori Kohri等。

论文在弦理论的框架中研究了几种宇宙弦的对称性破缺模式，发现这些自发过程与右旋中微子这类重型轻子的形成密切相关，并同时伴有频率特征明显的引力波辐射，其谱相与大质量天体融合时所辐射的引力波截然不同。依照这一推算，就像通过观察火焰颜色来推断燃烧物一样，我们可以通过探测宇宙中的引力波频率，来验证右旋中微子的形成。

如果右旋中微子的存在能够得到观测证实，也就是I型跷跷板理论得以证实的话，现有标准模型将得到强有力的扩展。尤其是其中弱相互作用和对称性破缺相关的理论，将得以极大补充和完善，继而解决一系列物理学家们探索已久的谜题。

例如“宇宙中为何普通物质多于反物质？”这一问题，目前唯一没有违背观测事实的理论解释，就是弱作用过程中CP破缺造成的正反物质衰变速度差异。然而现有的标准模型限制了这一理论，使之无法提供更为精确的计算结果，只能在非常宽泛的范围进行数量级估计。

又例如宇宙暗物质之谜，不仅超大质量的惰性中微子本身即为候选者之一，而且另外一个候选者轴子（Axion）是否存在，也与跷跷板机制密切相关。因为轴子在理论上的提出，是为了解决“强作用过程中CP意外守恒”问题，这部分也正是跷跷板机制如果被纳入标准模型就必然会影响到的理论。

[1] Dror J A, Hiramatsu T, Kohri K, et al. Testing the Seesaw Mechanism and Leptogenesis with Gravitational Waves[J]. Physical Review Letters, 2020, 124(4): 041804.