这个问题看似简单，但物理学家尚不知道答案。新的测量方法旨在改变这种情况。

中微子是亚原子世界中无足轻重的东西。这些数量极其丰富且很少相互作用的粒子至少比电子轻50万倍。它们产生于太阳、爆炸的恒星和地球上的衰变过程中，甚至在你自己的身体中。但它们与其他物质的相互作用非常罕见，以至于你几乎不知道它们周围有这么多。

几十年来，物理学家一直认为这些幽灵般的粒子没有质量。但实验表明，中微子确实有质量。事实上，中微子有三种类型和三种不同的质量。

科学家们尚未测量出这些质量的确切值。但是，即使是找出哪一种中微子最重，对我们对中微子和控制宇宙的物理学的理解也将是一个巨大的飞跃。这个谜题被称为“中微子质量等级”或“中微子质量排序”，它的答案在很大程度上取决于此。

由芝加哥Sandbox工作室设计，由Corinne MuchaSun绘制

天空和大地    

中微子以电子中微子、介子中微子或中微子的形式与物质相互作用，它们以它们喜欢接触的伙伴粒子命名。中微子可以振荡，这意味着它们会在这三个恒等式之间移动。

太阳核心的核过程产生了大量的电子中微子，其中许多在它们到达地球时变成了介子和中微子。当高能粒子撞击地球大气层时，就产生了介子中微子;在被探测到之前，它们可能会振荡成电子中微子或中微子。

但是这三种类型的中微子并不直接对应于这三种质量。相反，有三种“中微子质量态”，分别为1、2和3，每一种都有不同的可能性与物质相互作用，即电子中微子、介子中微子或tau中微子。

知道了中微子从一种类型振荡到另一种类型的速率，科学家就可以推断出这三种质量态之间的关系。对太阳中微子的仔细测量表明，第二种质量状态只比第一种稍微重一些。对大气振荡和加速器制造的介子中微子的测量表明，第三质量态和其他两种质量态之间存在很大的质量差异。

但是到目前为止，科学家们还不能确定质量态3是比状态1和状态2重还是轻。

为了区分“正常质量等级”(1、2、3阶)和“逆质量等级”(3、1、2阶)，研究人员在所谓的“长基线”中微子实验中，将中微子束射过数百公里的固体岩石。

加州理工学院的博士后Zoya Vallari说:“当中微子运动时，其中的电子中微子部分想要与地球上的电子相互作用，而介子和tau中微子部分不受影响。”“这种额外的影响会影响振荡的程度。”

目前领先的长基线实验(美国的NOvA实验和日本的T2K实验)帮助科学家完善了对振荡的理解。但到目前为止，他们对质量等级的测量仍然没有定论。

由芝加哥Sandbox工作室设计的插图，由Corinne mucha组成

一块关键的拼图

第三中微子究竟是最轻还是最重，对我们理解这些丰富的粒子有着巨大的影响。例如，中微子质量的来源仍然未知。要确定它是否类似于负责其他粒子质量的希格斯机制，部分取决于弄清它的层次结构。

此外，由于中微子不带电荷，理论上它们可以是自己的反物质粒子。了解质量排序将指导检验该假设的实验，这是通往有关整个宇宙的深层问题的门户。

为了寻找中微子层次问题的答案，NOvA实验将中微子和反中微子束从大约500英里外的伊利诺伊州费米实验室发送到明尼苏达州阿什河的一个探测器。T2K实验将它们从日本东海的J-PARC送至约190英里外的池野山下的探测器。

参与实验的科学家们将中微子振荡的速率与反中微子振荡的速率进行了比较。它们之间的任何差异都可以帮助科学家弄清楚中微子质量的变化。它还可以帮助他们了解为什么在早期宇宙中物质战胜了反物质。我们的存在可能归功于中微子，但我们还不能确定。

NOvA目前还没有发现中微子和反中微子振荡之间的强烈不对称性。T2K实验报告了一些诱人的证据，表明中微子的振荡可能与反中微子不同。T2K目前正在进行升级，NOvA将在未来五年内继续收集数据。

在这两种可能性之间，倒置的层次结构将使未来的几个实验更容易进行。美国能源部费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的理论家佩德罗·马沙多(Pedro Machado)表示:“所以如果可以选择，我会选择颠倒的层级，但显然这不由我决定。”“没有实验结果，理论就无法发展。”

对瓦拉里来说，这种倒置的等级制度也会更“有趣”，但她说:“如果要我打赌的话，我会在正常的等级制度下下注。”

来自芝加哥Sandbox工作室的插图，由Corinne MuchaAn提供

答案触手可及

与粒子物理学中的许多谜团不同，中微子的质量层次有一条清晰的解决之路。答案完全在下一代实验的能力范围内。

由费米实验室主持的国际实验“深地下中微子实验”计划于本世纪20年代末上线，它将把中微子从伊利诺斯州发送到南达科他州，行程约800英里，比NOvA远60%，为中微子提供更多的物质来相互作用。这两个实验均获得了美国能源部科学办公室和其他资助机构的支持。

DUNE和NOvA合作项目的成员Vallari说，这样的长途旅行将放大地球对中微子振荡的影响，使研究人员能够梳理出质量层次。在日本，计划中的Hyper-Kamiokande升级到T2K实验也应该会在数年的数据收集中得到答案。

“我非常自信地说，在21世纪30年代早期，我们应该从至少一个实验中得到质量等级的确定测量，”瓦拉里说。

即使到那时，我们也只能知道三种中微子质量之间的区别，质量的总体大小仍将是一个谜。