--- title: "LEP：怎样数清不留下痕迹的粒子？ | Sandbox Physics" description: "对撞机从 Z 共振峰的宽度，推算出轻中微子有几种。要数清楚，得先测好看得见的衰变，还要知道一种标准中微子该贡献多少。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/lep-light-neutrinos/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/neutrinos/lep-light-neutrinos/" last_modified: "2026-10-09" --- [2026 年诺贝尔物理学奖](https://sandboxphysics.com/zh/nobel/2026/physics/) # LEP：怎样数清不留下痕迹的粒子？ 对撞机从 Z 共振峰的宽度，推算出轻中微子有几种。要数清楚，得先测好看得见的衰变，还要知道一种标准中微子该贡献多少。 Sandbox Physics · 2026-10-09 · 仪器与方法 ## 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。 $$ \Gamma_{\mathrm{inv}}=\Gamma_Z-\Gamma_{\mathrm{had}}-\Gamma_{\mathrm{charged}} $$ 从总宽度里扣掉可见的强子和带电轻子贡献，就得到推断的不可见宽度。各项都是拟合出的分宽度，误差彼此相关。 依据：[1] · [3] · [2] 1. 01 **扫描 Z 共振峰** 拟合总宽度与可见通道 2. 02 **推断不可见部分** 从总宽度里扣掉可见衰变的分宽度 3. 03 **使用耦合模型** 和一种轻标准粒子的贡献比 推出的种类数，建立在质量和相互作用的假设上。这种方法看的是峰的形状，不会把单个空事件认定为中微子对。 ## 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。 $$ N_\nu=\frac{\Gamma_{\mathrm{inv}}}{\Gamma_{\nu,\mathrm{SM}}} $$ 种类数的示意算法，假定不可见宽度来自具有标准模型耦合的轻中微子。精密分析取的是与带电轻子宽度的比值，以减小共同误差。 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] ## 我们由此知道了什么 LEP 定出：与 Z 有标准相互作用的轻中微子共有三种。它数的是这些中微子在不可见衰变宽度里的贡献，所以并没有排除所有更重的或惰性的中微子。 ## 一手来源与修订 1. [LEP/SLD Collaborations and working groups · Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance (2006)](https://arxiv.org/abs/hep-ex/0509008) 2. [CERN · Thirty years of LEP’s Z line shape (2019)](https://home.cern/thirty-years-leps-z0-line-shape/) 3. [Barbara Mele · The Measurement of the Number of Light Neutrino Species at LEP (2015)](https://cds.cern.ch/record/2103251) 4. [Particle Data Group · Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations (2024)](https://pdg.lbl.gov/2024/reviews/rpp2024-rev-neutrino-mixing.pdf) 5. [DONUT Collaboration · Observation of Tau Neutrino Interactions (2000/2001)](https://arxiv.org/abs/hep-ex/0012035) 6. [Giunti & Laveder · Neutrino Mixing (2004)](https://arxiv.org/abs/hep-ph/0310238) 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。 [← 前篇：Gargamelle：发生作用之后，中微子还能是中微子吗？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/gargamelle-neutral-currents/) [后篇：DONUT：在 τ 子消失前，认出它的踪迹 →](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/donut-tau-neutrino/) ## 继续阅读 中微子 · 阅读路径 ### 分清粒子家族与相互作用 1. [文章 **为什么还需要第二种中微子？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/brookhaven-muon-neutrino/) 2. [文章 **Gargamelle：发生作用之后，中微子还能是中微子吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/gargamelle-neutral-currents/) 3. [当前页面 **LEP：怎样数清不留下痕迹的粒子？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/lep-light-neutrinos/) 4. [文章 **DONUT：在 τ 子消失前，认出它的踪迹**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/donut-tau-neutrino/) 中微子 · 专题 ### 中微子有多重？ 振荡说明中微子有质量。还有哪些测量在追问它有多重、是不是自己的反粒子？ 1. [文章 **能量去哪了？一个把中微子带进物理学的难题**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/beta-decay-missing-energy/) 2. [当前页面 **LEP：怎样数清不留下痕迹的粒子？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/lep-light-neutrinos/) 3. [文章 **知道中微子有质量，为什么还不能说它有多重？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/oscillations-and-mass/) 4. [文章 **JUNO：探测器那么大，为什么还要看清细小的能谱纹路？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/juno-fine-spectrum-and-mass-ordering/) 5. [文章 **中微子 CP 破坏：比较正反中微子能说明什么？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/neutrino-cp-violation-measurement/) 6. [文章 **KATRIN：从贝塔能谱末端限定中微子质量**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/katrin-beta-endpoint-neutrino-mass/) 7. [文章 **Dirac 还是 Majorana：中微子是自己的反粒子吗？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/dirac-majorana-neutrino-nature/) 8. [文章 **用宇宙称中微子：先假设了什么？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/cosmology-neutrino-mass-inference/) 9. [文章 **2026 年的中微子：哪些问题仍然开放？**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/neutrinos/open-neutrino-questions-2026/)