在 20 世紀 90 年代，一項研究中微子的實驗發現了一些奇怪的現象：探測器中出現了過多的粒子。2002 年，科學家們開始了另一項實驗，以弄清發生了什麼事。那次試驗也得到了令人驚訝的結果——但方式不同。然後在 2015 年進行了第三次實驗。該實驗上週宣佈的測量結果既沒有解決任何謎題，反而加劇了神秘感。
這些專案都研究了中微子——自然界中最豐富的粒子，僅次於光子（光粒子）。這些微小的、不帶電荷的斑點從太陽、超新星和其他宇宙事件中流出，每秒約有萬億個穿過你的手。已知它們有三種類型或味道：電子中微子、μ子中微子和τ中微子。但許多科學家希望會出現第四種類型，稱為“無菌中微子”。如果它們存在，無菌中微子可能有助於解決物理學中的幾個謎團，例如，為什麼中微子在理論預測它們不應該有質量的情況下卻有質量，以及宇宙中瀰漫的不可見的暗物質是由什麼構成的。早期實驗中令人費解的過量粒子讓研究人員感到興奮，因為它們看起來像是無菌中微子干擾正常中微子味道的可能跡象。
這種假定的中微子被稱為“無菌”中微子，因為它們只通過引力與其他粒子相互作用，而已知的三種味道也可以透過弱力相互作用。但它們可能會影響其他中微子，因為這些粒子都具有一個奇怪的特性：能夠“振盪”或改變味道。例如，一個最初是電子中微子的粒子可以變成 τ 中微子或 μ 子中微子，反之亦然。通常，這種轉變發生在當微中子傳播一定距離時，但在實驗中，這種情況似乎發生得更快——洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器 (LSND) 及其後續實驗，伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 的迷你助推器中微子實驗 (MiniBooNE)。科學家們認為，μ 子中微子可能會振盪成無菌中微子，然後再振盪成電子中微子，這個過程可能比簡單的 μ 子到電子味道轉換更快。
支援科學新聞事業
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事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。
精確視角
最新的發現來自 MiniBooNE 的後繼者 MicroBooNE 實驗，也在費米實驗室進行。那裡的物理學家們產生一股 μ 子中微子流，並將它們射向 470 米外的探測器。探測器是一個巨大的容器，裝滿了 170 公噸的純液態氬，等待捕捉中微子撞擊其中一個氬原子核的行為。這種碰撞極其罕見，唯一的跡象是相互作用產生的次級粒子。
科學家於 10 月 27 日宣佈了 MicroBooNE 的結果，稱他們沒有看到 MiniBooNE 觀察到的過量現象。“是的，這有點奇怪，”耶魯大學 MicroBooNE 聯合發言人 Bonnie Fleming 說。早期的實驗看到了看起來像電子或光子的額外粒子，儘管他們無法證實這兩種可能性中的任何一種。然而，MicroBooNE 可以更精確地觀察粒子在其探測器中傳播的方向以及它們沉積的能量。“這意味著我們可以確定某物是電子還是光子，”弗萊明說。“該實驗的真正勝利在於技術執行良好。” 然而，結果是 MicroBooNE 科學家非常確定他們在所有觀察到的地方都沒有過量的電子或光子，這削弱了對某些版本無菌中微子的希望。如果 μ 子中微子可以快速變成無菌中微子，然後再變成電子中微子，那麼電子就會在 MicroBooNE 中出現。（探測器離其源頭不夠遠，無法發生普通的 μ 子中微子到電子中微子的振盪。）
但是，如果沒有額外的電子或光子，那麼 LSND 和 MiniBooNE 看到的剩餘粒子是什麼呢？一種可能是，無法解釋的中微子碰撞實際上並沒有發生在早期的任何一項實驗中，並且在 MiniBooNE 的情況下，研究人員只是錯過了該實驗探測器內部的一些干擾。“也許探測器有一些尚未完全瞭解的地方，”日內瓦附近歐洲粒子物理實驗室 CERN 和德國美因茨約翰內斯古騰堡大學的理論物理學家約阿希姆·科普說。“但我認為這極不可能——執行這個實驗的人都是高技能人才。”
其他人也同意。“探測器出現某種錯誤校準的可能性很小，”西北大學理論物理學家安德烈·德·古維亞說。“必須有一種新的電子或光子來源，或者看起來像電子或光子的東西。” 他說，也許正在發生更復雜的事情。提供 μ 子中微子的中微子源可能還會產生更重的無菌中微子，或者其他新的粒子，而不是 μ 子中微子振盪成無菌中微子，然後再振盪成電子中微子。這些粒子可能會衰變成其他東西——例如，一個普通的中微子和一些奇異的東西，例如“暗光子”（一種常規光子的表親，已被理論化但從未被發現）。如果這個過程發生，它將產生一個電子和它的反物質夥伴正電子，這將顯示出與普通電子不同的訊號。MicroBooNE 尚未搜尋到這樣的對。
無菌中微子仍然是物理學家們感興趣的前景。它們是試圖解釋為什麼中微子有質量的理論的可能副產品。它們也可能有助於解釋什麼是暗物質。某些型別的無菌中微子可能是暗物質本身的候選者，或者它們可能是“暗區”的一部分，其中暗物質粒子將與無菌中微子相關或衰變為無菌中微子。“如果你四處詢問[物理學家]，問‘你認為無菌中微子存在嗎？’我認為每個人都會說這非常合理，”德·古維亞說。“但細節決定成敗。它是重還是輕，容易看到還是難以看到？”
弄清楚這些中微子實驗中發生了什麼可能是回答那些更大問題的**第一步**。“這真的很有趣，因為所有明顯的可能性現在都經過了測試，”科普說。“好訊息是：我們有工具來進一步調查此事，並有望弄清真相。”
未來展望
MicroBooNE 是費米實驗室一項名為短基線中微子 (SBN) 計劃的更大中微子專案的一部分，該計劃包括三個液態氬中微子探測器，它們與中微子源的距離不同。另外兩個探測器是短基線近探測器 (SBND)，距源頭僅 110 米，以及更遠的 ICARUS T600 探測器，距離為 600 米。位於中間位置 470 米的 MicroBooNE 首先開始收集資料，而 ICARUS 和 SBND 將分別於今年和 2023 年開始。
“計劃是進行更具包容性的測量，以更全面的方式檢視允許引數的可能區域，”費米實驗室 SBND 聯合發言人奧內拉·帕拉馬拉說。例如，如果對 MiniBooNE 結果的正確解釋是無菌中微子，那麼除了電子中微子的出現之外，科學家們還會看到 μ 子中微子事件在遠處探測器中相應消失，因為粒子從微中子源傳播得更遠。“這就是 SBN 多探測器計劃的優勢，這是單個探測器無法做到的，”帕拉馬拉說。“我們可以做很多事情，而 MicroBooNE 的這些分析僅僅是開始。”
科學家們說，最近 MicroBooNE 分析的技術複雜性預示著未來的前景良好。“這非常令人興奮，因為 MicroBooNE 在理解這些中微子事件方面達到了前所未有的知識水平，”費米實驗室理論部門負責人馬塞拉·卡雷納說。“這將使未來的實驗能夠加強他們的物理搜尋。”
目前，關於無菌中微子的結論尚未最終確定。“我不認為無菌中微子的想法已經死了，”卡雷納說。“對無菌中微子的搜尋仍在繼續。”