LEP：怎样数清不留下痕迹的粒子？

改变碰撞能量，一座峰出现了

在 CERN 的大型正负电子对撞机 LEP 上，电子和正电子在接近 Z 粒子质量的能量下对撞。扫描碰撞能量时，Z 衰变产物出现的速率先升后降，画出一座共振峰，峰的宽度可以测量。

粒子能走的衰变通道越多，总衰变率就可能越大，寿命也越短。这个速率用“衰变宽度”来表示。所以共振峰里藏着 Z 各种衰变方式的信息，包括探测器看不见的末态。

实测的峰还受束流能量、对撞粒子的辐射和装置本身影响。先把这些效应建好模，才能把峰形算到 Z 头上。峰宽一些，并不自动说明又多了一种中微子。

依据：[1] · [2] · [3]

先把看得见的衰变测清楚

ALEPH、DELPHI、L3 和 OPAL 四项实验，测量了带电轻子和强子末态。探测器能认出这些产物，并测出可见事件率怎样随能量变化。

中微子—反中微子对通常直接飞走，不留下可探测的能量。峰形方法并不把它们一个个认作“空事件”来数，而是从总宽度和可见通道推算出不可见的那部分。

写成算式，就是总宽度减去强子和带电轻子的分宽度。各项测量有共同的误差，彼此相关，所以这个减法要放进一个包含探测效率和理论修正的拟合里做，不是数数事件那么简单。

依据：[1] · [3] · [2]

一种轻中微子，应该贡献多少？

要从不可见宽度换算出种类数，理论得先算出：一种与 Z 有标准耦合的轻中微子该贡献多少。如果每一种都有这样的耦合，它们的贡献就能按已知的方式相加。

1989 年 LEP 的首批结果支持三种。2006 年发表的联合精密报告，拟合出的有效种类数是 2.9840，不确定度 0.0082。这是 2006 年报告里的数值，不是最新的全球电弱拟合结果。

拟合出的种类数不必是整数。它是一个连续参数，从带着误差和模型假设的测量里提取出来。数值稍稍偏离三，并不表示有“零点几种”中微子。

依据：[1] · [3] · [2]

“轻”与“标准耦合”，都属于结论

只有能量装得下一对粒子的质量，Z 才能衰变成这对粒子。中微子要是重到超过这个阈值，就不会经这个通道贡献宽度。所以大家熟悉的这个计数，附带着质量条件。

完全惰性的中微子和 Z 没有标准弱耦合，不会给计数整整加一。它与活性态的混合，或者额外的相互作用，仍然可能受到限制，但每种情况都要有自己的模型和计算。

其他看不见的粒子也会把解释搅复杂。所以说“三种具有标准相互作用的轻活性中微子”，比笼统地说“中微子绝不可能超过三种”更有用。

依据：[1] · [4] · [3]

数出有几种，与认出是哪一种

LEP 定出轻中微子种类数时，DONUT 还没有直接认出 τ 子中微子的作用。两者回答的问题不同：对撞机测的是对 Z 衰变的总贡献，DONUT 则靠靶里产生的 τ 子认出一种特定的味道。

两项测量都给不出中微子微小的绝对质量。在 Z 的能量尺度上，中微子几乎可以看成没有质量，可这点质量对贝塔端点实验或宇宙学仍可能很要紧。振荡实验给出的，又是另一类质量信息。

这些结果合起来，从几个方向把一种看不见的粒子框定下来。衰变峰能数出开放的通道，一段短径迹能认出 τ 味，味道概率的变化能揭示质量差。每台仪器问的问题，都是别的仪器单独答不了的。

依据：[1] · [5] · [4] · [6]

一手来源与修订

1. LEP/SLD Collaborations and working groups · Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance (2006)
2. CERN · Thirty years of LEP’s Z line shape (2019)
3. Barbara Mele · The Measurement of the Number of Light Neutrino Species at LEP (2015)
4. Particle Data Group · Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations (2024)
5. DONUT Collaboration · Observation of Tau Neutrino Interactions (2000/2001)
6. Giunti & Laveder · Neutrino Mixing (2004)

2026-10-09 首发；2026-10-09 最后修订。解释文字与图解由 Sandbox Physics 原创；插图为示意，不复刻实验事件记录。本专题为独立教育内容，并非诺奖机构或实验合作组的官方出版物。