125個科學問題：中微子是其自己的反粒子嗎? Are neutrinos their own antiparticles?
中微子是輕子的一種，它是組成自然界的基本粒子之一，常用希臘字母ν表示。中微子不帶電，且質量極小，與其他物質的相互作用也十分微弱。中微子目前確定有三種：電子中微子，繆子μ中微子和陶子τ中微子，分別對應三種輕子：電子、繆子μ子和陶子τ子。
中微子的發現來源於原子核的衰變。首先，貝克勒在1896年發現重元素如鈾的原子核不穩定會發生衰變為其他的原子核，衰變中原子核會放出核放射線。根據核放射線在磁場中的偏轉，科學家發現核放射線帶有三種電荷：正電、負電和不帶電，分別對應核的阿爾法α衰變、貝塔β衰變和伽瑪γ衰變過程。然而經過進一步研究發現，原子核的貝塔衰變過程非常複雜，其幾乎在全部元素周期表範圍的原子核上都存在貝塔衰變，而且貝塔衰變的種類非常多，比如放出的是電子，稱為負貝塔衰變，放出的是正電子，稱為正貝塔衰變；然而在負貝塔衰變中對電子能量的研究得到了一個讓人迷惑的結果：電子的能譜不僅是連續的而且電子似乎只攜帶了核衰變總能量的一部分，還有一部分能量消失了，這就是貝塔衰變得能量不守恆之謎。
這是一個無法讓人接受的結果。後來泡利提出貝塔衰變中應該產生了另外一種不易被實驗探測到的粒子：中微子。這樣能量不守恆的鍋甩給了不知道存在不存在的中微子。然而中微子在實驗中被找到，而且費米還給出了弱相互作用理論完美解釋了實驗結果。一般的貝塔衰變是核內的中子通過弱相互作用衰變成一個電子、一個質子和一個反中微子的過程。後來的實驗不僅發現了三種不同的中微子，而且還發現不同中微子之間相互轉變的中微子振盪現象，而這些研究結果都屢次被授予獲了諾貝爾獎。
但由於中微子與其他物質的相互作用十分微弱，探測中微子的實驗就變得非常困難，所以圍繞中微子還有很多迷沒有解開。首先是中微子的質量及其起源問題；中微子有沒有磁矩問題；再就是：中微子是不是自己的反粒子的問題。
反粒子概念不再囉嗦，可參考問題32：正物質為何多於反物質? 目前的實驗已經確認幾乎所有的粒子都有自己所對應的反粒子，比如電子的反粒子是正電子，質子和中子分別對應反質子和反中子，而對於三種中微子，也應該存在三種對應的反中微子。由於反粒子的電荷和正粒子相反，其自旋也會相反，而中微子是電荷為零、自旋為1/2的費米子，那中微子和其反粒子會有什麼更多的不同？
除電荷和自旋的基本屬性以外，粒子還存在另外一種量子屬性：手征，或稱為空間的螺旋性。手征是指粒子和其鏡像粒子不重合或不同的特性，這個就牽扯到著名的宇稱不守恆。按照正常理論，粒子只有兩種手征：左手征和右手征。所以對於中微子來說，考慮其手征，狄拉克理論預言應該存在四種中微子：左手征中微子，右手征中微子，左手征反中微子和右手征反中微子。然而楊振寧和李政道的理論認為：對於中微子參與的弱相互作用，宇稱並不守恆。而後來吳健雄等人關於中微子的核貝塔衰變的實驗結果驗證：實驗上觀測到的中微子竟然都是左手征的！也就是在所有的產生中微子的實驗中只發現了自旋方向與其運動方向相反的具有左手征的中微子，或者自旋方向與其運動方向相同的右手征型的反中微子。
然而只存在左旋中微子在標準模型框架下失去了通過希格斯場獲得質量的可能性，因為標準模型所給出希格斯質量機制必須通過左旋和右旋波函數的「湯川耦合」項才能從希格斯場獲得質量，所以中微子在標準模型框架下沒有質量。
然而中微子真的沒有質量嗎？1998年日本超級神岡探測器和加拿大薩德伯里中微子觀測站以及後來一些中微子振盪實驗都發現中微子具有微弱的質量，而這個結果被2015年的諾貝爾物理學獎所肯定。其中我國的著名物理學家王貽芳院士領導的大亞灣中微子實驗室還發現了一種新的中微子振盪，更加肯定了所有中微子都應該有質量的問題。王貽芳院士的這一工作也因此獲得了2015年基礎物理學突破獎。然而三種中微子及其反粒子質量的具體數值到底是多少，現在還並不完全清楚。
以上的這些發現讓人們對中微子的狄拉克理論喪失了興趣，人們進一步把目光轉向了中微子的另一種理論：馬約拉納型中微子理論。
早在1937年義大利物理學家馬約拉納就提出了另一種關於中微子的理論，我們稱為馬約拉納中微子。該理論認為中微子和反中微子其實是一種粒子。描寫馬約拉納中微子的馬約拉納方程預言，如果中微子具有質量，那它就可以在中微子和反中微子之間來迴轉變，也就是中微子和反中微子其實就是相同的粒子。
所以在中微子質量被確認之後，人們接下來的研究目標就自然轉向兩個方面：尋找超出標準模型之外的中微子質量機制和尋找馬約拉納中微子。
在尋找馬約拉納中微子的線索中，有一個非常關鍵的突破點就是：尋找打破輕子數守恆的理論和實驗證據。然而根據目前的粒子物理實驗：在所有的物理過程中輕子數是守恆的。所以這就像當初面對破宇稱守恆一樣，要想推翻輕子數守恆，需要找到一個非常靠譜的實驗方案。
那什麼又是輕子和輕子數守恆？所謂的輕子就是一類具有質量和1/2自旋不參加強相互作用的基本粒子。與輕子相對，參加強相互作用的基本粒子統一稱為強子。標準模型分類命名了6種輕子，就是上面介紹中微子時提到的：電子、繆子μ子和陶子τ子及其相對應的中微子。所以輕子數非常簡單，就是反應過程中輕子的個數，也就是一個輕子的輕子數就為1，不是輕子就是0，反輕子的輕子數為-1。那麼在一個物理過程中反應前的輕子數等於反應後輕子數就是輕子數守恆。比如中子衰變過程，一個中子衰變為一個質子加一個電子和一個反電子中微子，輕子數守恆的等式為：0=0+1-1。這裡順便說一下，對應於輕子，標準模型還有重子的概念，同樣在粒子反應過程中還存在重子數守恆定律，這裡不再贅述。
那為什麼非要打破輕子數守恆才能證明中微子的反粒子就是它自己呢？這還是來源於我們這個世界正粒子和反粒子是不對稱的客觀事實。現在科學家們尋找打破輕子數守恆所青睞的實驗稱為：原子核衰變的雙貝塔衰變過程。雙貝塔衰變是不穩定的原子核衰變成另一個原子核時放出兩個電子和兩個反中微子的過程。這個過程顯然滿足輕子數守恆。但是如果中微子是它們自己的反粒子，那麼在雙貝塔β衰變過程中釋放的兩個反中微子就可能彼此湮滅並消失，從而違反輕子數守恆，而這個過程被稱為無中微子的雙貝塔衰變過程。而這個過程如果存在，那麼由於輕子不守恆就會導致這個世界正物質多於反物質的結果，從而為第32個問題提供一個可能的答案。
然而這個問題的答案到現在還沒有結果，因為這個所謂的無中微子的雙貝塔衰變過程到目前還沒有被發現。