中微子的静止质量及其在物理学和宇宙学上的意义

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1、中微子的静止质量及其在物理学和宇宙学上的意义周国荣(五邑大学数学物理系，广东，江门529020)(中国科学院理论物理研究所，北京100080)摘要简要地介绍了中微子的发现历史及其基本特性，着重介绍了Super-Kamiokande中微子天文台大气中微子实验和太阳中微子实验的基本原理及其最新实验结果，对中微子的静止质量在太阳中微子失踪问题、粒子物理学和宇宙学上的意义作了讨论，指出了与中微子静止质量相关的三个有待解决的问题。关键词中微子，粒子物理，宇宙学，暗物质TheMassoftheNeutrinosanditsSigni

2、ficanceonPhysicsandCosmologyZhouGuorongDepartmentofMathematicsandPhysics,WuYiUniversity,Jiangmen,Guangdong529020InstituteofTheoreticalPhysics,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080AbstractThehistoryofneutrinosanditsidentityarepresented.Theprincipleandtheupdate

3、dresultsoftheSuper-Kamiokande'satmosphericandsolarneutrinoexperimentsareintroduced.Thesignificanceoftheneutrinos'massonthemissingsolarneutrinopuzzle,particlephysicsandcosmologyisdiscussed.Threequestionsaboutneutrinos'masswhichremaintobesolvedaredescribed.KeyWords

4、neutrinos,particlephysics,cosmology,darkmatter中微子的静止质量被物理学家列为二十世纪末期物理学中一个有待解决的重要问题，它在理论物理学和天体物理学中占据着重要的地位[1]。长期以来，物理学理论一直认为，中微子的静止质量为零。不过，位于日本茂住(Mozumi)的超级神冈(Super-Kamiokande)中微子天文台最近却发现，中微子具有不为零的静止质量。Super-Kamiokande的物理学家们对两年来的观测数据进行分析后得出了这一结论。当1998年6月5日这一消息公布后，

5、中微子问题再一次成为物理学界和天文学界的热门话题。在过去的几十年中，人们已经多次发现中微子具有静止质量的证据。由于这些证据数据量少，不能完全令人信服，因此，大多数理论物理学家依然保持审慎的态度。不过，这一次获得的证据是如此强有力，以至许多著名的物理学家都表示，他们绝对相信实验的结果。1中微子探索简史及其基本特性中微子是一种神秘的粒子。早在1930年，奥地利物理学家泡利(W.Pauli)为了解释衰变过程中电子射线能量的连续分布特性时提出，在原子核的衰变中，每发射一个电子的同时还放出一个自旋与电子相同、静止质量极小的中性粒子

6、。这个中性粒子就是我们现在谈到的反中微子。衰变实际上就是原子核内部的中子放出电子和反中微子而变成质子的过程：。伴随着电子放出的这个反中微子的能量加上电子的能量应该是一个确定的值。这样，根据能量守恒定律和动量守恒定律就可以明确地解释电子能量的连续分布。由于假定中微子的自旋量子数为1/2，这一假说还同时解决了衰变过程中角动量守恒的疑难。1934年，费米(E.Fermi)进一步发展了泡利的这个假说，建立了衰变理论，并正式将这种中性粒子命名为中微子。中微子的存在在理论上是非常确定的，但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，需要

7、强有力的探测器才能检测到它们的存在。因此，预言的反中微子经过了长达25年的探索，才于1956年被美国物理学家科恩(C.L.Cohen)和莱因斯(FredReines)发现。按照现行的粒子物理学理论，自然界中存在着三种不同类型的中微子，分别对应于轻子家族的三个成员：电子中微子、m中微子和t中微子。人们把中微子这三种类型称为中微子具有三种不同的“味”。在标准的粒子物理学模型中，中微子是一种没有静止质量的粒子。在宇宙空间中，存在着大量产生于宇宙大爆炸时期和恒星内部核过程的中微子。多年以来，物理学家们对产生于太阳内部核反应过程、

8、大气层顶部、核反应堆以及粒子加速器中的中微子进行了广泛的研究，发现中微子的通量比理论预言值小。对这一现象的一种解释是：中微子在空间中运动时会在三种“味”之间互相转换。物理学家们把中微子的这种行为称为中微子振荡。但是，按照量子力学的规律，只有当中微子具有非零的静止质量时，这种现象才有可能发生。由于一般的中微子探测器对某