自 1983 年以來，位於伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室的研究人員一直在透過在世界上最強大的粒子對撞機——Tevatron 中將高能質子和反質子碰撞在一起，來探索亞原子領域。然而，明年，高能前沿將轉移到歐洲，在那裡，更為強大的大型強子對撞機將在日內瓦附近開始執行。費米實驗室計劃在 2010 年之前關閉 Tevatron。但實驗室官員並沒有放棄該裝置，而是制定了一項雄心勃勃的計劃，利用對撞機的一些部件來加強一項有前途的研究計劃：研究神秘的中微子，它奇怪的特性可能為新的物理定律提供線索。
恰如其分的是，實驗室的同名人物——物理學家恩里科·費米——為這種粒子創造了名字，意思是“小中性粒子”。中微子有三種類型，稱為風味；最常見的是電子中微子，它在太陽中的反應中大量產生。（其他風味是μ子和τ中微子。）由於中微子沒有電荷，並且僅透過弱核力和引力與其他粒子相互作用，它們幾乎不受阻礙地穿過物質，並且難以檢測。直到最近，大多數科學家認為中微子也沒有質量，但在 20 世紀 90 年代後期，研究人員發現粒子在傳播過程中會改變風味，而這種轉變只有在它們有質量的情況下才會發生。
量子理論預測這些變化應該是振盪的，因此物理學家現在正在嘗試測量中微子改變風味的頻率以及每次轉變的可能性。此前的實驗被動地觀察太陽或地球大氣層中產生的中微子，而費米實驗室的研究人員決定使用為 Tevatron 提供質子的相同加速器來產生強烈的中微子束。（高能質子撞擊鈹靶，產生在衰變時噴出中微子的π介子。）2002 年，研究人員開始向半公里外的一個巨型球形罐發射μ子中微子束。這個名為 MiniBooNE 探測器的 12 米寬的罐子包含約 800 噸礦物油和 1,500 個光電倍增管，可以識別中微子與油相互作用引起的罕見閃光。MiniBooNE 團隊目前正在分析三年的資料，以確定有多少粒子在飛行過程中變成了電子中微子。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關當今世界發現和塑造我們世界的有影響力的故事的未來。
2005 年，研究人員開始了 MINOS 實驗，該實驗將更強大的μ子中微子束髮射到 735 公里外位於明尼蘇達州北部廢棄的 Soudan 鐵礦中的一個大型探測器。（長途跋涉使粒子有更多的時間振盪。）今年 3 月，MINOS 科學家宣佈只有大約一半預期的μ子中微子到達了 Soudan 探測器，這表明其餘的粒子在途中改變了風味。該結果與早期的 K2K 實驗的結果一致，該實驗研究了從日本 KEK 實驗室的加速器發射出的μ子中微子。
費米實驗室的研究人員現在正在設計一項名為 Minerva 的實驗，該實驗將透過研究中微子與原子核的相互作用來提高 MINOS 測量的準確性。科學家們還開始計劃一項名為 NOvA 的研究，該研究將在明尼蘇達州北部放置另一個巨大的探測器，以尋找由 MINOS 光束中的振盪產生的電子中微子。
由於大多數中微子探測器都設計為僅識別一種風味，因此沒有一項單獨的實驗可以測量振盪的所有引數。幸運的是，日本的類似研究可能會補充美國的研究。為了增加成功的機會，費米實驗室的工程師正在調整他們的加速器，以最大限度地提高 MINOS 光束的功率，這反過來又增加了探測器中中微子的相互作用次數。一旦 Tevatron 關閉，實驗室計劃透過重新配置現在用於生產和儲存反質子的設施來進一步提高光束功率。
科學家們對中微子振盪著迷，因為它們可能會揭示無法用標準模型解釋的現象，標準模型是一種非常成功但不完整的粒子物理理論。例如，MiniBooNE 的結果可能證實了第四種中微子（所謂的惰性中微子）的存在，該中微子不受弱力的影響，但可能參與尚未確定的新型相互作用。“中微子是最不為人所知的粒子之一，” MiniBooNE 團隊的 Richard Van de Water 說。“如果有額外的物理學，它是大自然隱藏它的好地方。”