物理學家在伊利諾伊州的一項實驗中捕捉到被稱為中微子的幽靈粒子行為異常，這表明存在一種額外的中微子。如果得到證實，這些發現將是革命性的，將一種新的基本粒子引入物理學的詞彙，甚至可能有助於解釋暗物質之謎。
儘管沒有人對觀測結果的實際含義達成一致，但專家們還是於 6 月在德國舉行的中微子會議上興奮地討論了這些以及其他影響深遠的意義。
中微子本身就令人困惑。這些微小的粒子在宇宙的最初時刻以及今天在恆星的核心和核反應堆的核心中形成，以接近光速的速度傳播，幾乎不與其他任何物質相互作用；每天有數十億個中微子無害地穿過你的身體，而一個典型的中微子可以毫髮無損地穿過一層厚達一光年的鉛。自從 20 世紀中期被發現以來，中微子曾被預測為完全沒有質量，但 20 世紀 90 年代的實驗表明它們確實具有一定的質量——儘管物理學家仍然不確切知道質量有多大。更奇怪的是，它們有三種已知的型別或味——電子中微子、μ子中微子和τ子中微子——最奇怪的是，它們可以從一種味轉變為另一種味。由於這些和其他怪異之處，許多物理學家一直押注中微子將開啟通往物理學下一個前沿的大門。
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現在有些人認為這扇門已經打開了一條縫。這一發現來自費米國家加速器實驗室（位於伊利諾伊州巴塔維亞）的 Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) 收集的 15 年的資料。MiniBooNE 透過中微子偶爾撞擊裝滿 800 噸純礦物油的巨型容器中的原子核時產生的閃光來探測和表徵中微子。它的設計與早期的液閃爍體中微子探測器 (LSND) 專案（位於新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室）類似。在 20 世紀 90 年代，LSND 觀察到一個奇怪的異常現象，即粒子束中電子中微子的數量多於預期，而粒子束最初是μ子中微子；MiniBooNE 現在也看到了同樣的情況，在一個由費米實驗室的粒子加速器之一產生的中微子束中。
由於μ子中微子不可能在 LSND 實驗的短距離內直接轉變為電子味，當時的理論家提出，一些粒子正在振盪成第四種味——“惰性中微子”——然後轉變為電子中微子，從而產生神秘的過量。儘管這種可能性很誘人，但許多物理學家認為這些發現是一個僥倖，是由 LSND 特有的一些平凡錯誤造成的。但是，既然 MiniBooNE 已經觀察到完全相同的模式，科學家們不得不考慮這種現象可能更深刻的原因。“現在你真的必須說你有兩個實驗看到了相同的物理效應，所以一定有一些基本的東西在發生，”MiniBooNE 聯合發言人、洛斯阿拉莫斯的理查德·範德瓦特說。“人們再也不能忽視這一點了。”
MiniBooNE 團隊於 5 月 30 日將他們的發現提交給了預印本伺服器 arXiv，並在 6 月在德國海德堡舉行的第二十八屆國際中微子物理學和天體物理學會議上進行了展示。
第四種味
惰性中微子是一個令人興奮的前景，但外部專家表示，現在斷定這些粒子是觀測結果背後的原因還為時過早。“如果是惰性中微子，那將是革命性的，”未參與這項研究的英國科學與技術設施委員會執行長、中微子物理學家馬克·湯姆森說。“但這是一個很大的‘如果’。”
這種新的味將被稱為“惰性”，因為這些粒子不會感受到任何自然力，除了引力，這將有效地阻止與粒子世界其他部分的通訊。即便如此，它們仍然具有質量，可能使它們成為神秘的“暗物質”的有吸引力的解釋，“暗物質”似乎為星系和星系團貢獻了額外的質量。“如果存在惰性中微子，它不僅僅是一些額外的粒子在那裡閒逛，而可能是一些通往宇宙‘暗區’的信使，”範德瓦特說。“這就是為什麼這真的令人興奮。”然而，MiniBooNE 中可能出現的惰性中微子似乎太輕了，無法解釋暗物質本身——相反，它們可能是各種質量的整個惰性中微子群體的先鋒。“一旦存在一種[惰性中微子]，就會引出一個問題：有多少種？”加州大學歐文分校的理論物理學家凱沃克·阿巴扎吉安說。“它們可以參與振盪併成為暗物質。”
然而，這些發現很難解釋，因為如果中微子在 MiniBooNE 中轉變為惰性中微子，那麼科學家們預計不僅會測量到額外的電子中微子的出現，還會測量到μ子中微子的相應消失，就像等式的兩邊一樣平衡。然而，MiniBooNE 和其他實驗並沒有看到這種消失。“這是一個問題，但這不是一個大問題，”費米實驗室的理論物理學家安德烈·德·古維亞說。“之所以說這不是反對惰性中微子假設的鐵證，是因為[探測]消失非常困難。你必須確切地知道你一開始有多少，這是一個挑戰。”
另一個謎團？
或者，MiniBooNE 可能發現了一些重大發現，但不是惰性中微子。也許宇宙的某些其他新方面是實驗粒子束中意外粒子模式的原因。“現在人們正在思考是否還有其他可能解決這種歧義的新現象，”德·古維亞說。“也許中微子有一些我們沒有想到的新力，或者也許中微子以某種有趣的方式衰變。感覺我們還沒有找到正確的假設。”
不同尋常的是，這是一個物理學家不必等待太久就能解開的謎團。費米實驗室的另一項名為 MicroBooNE 的實驗旨在跟蹤 MiniBooNE，並且能夠更仔細地研究這種過量。MiniBooNE 的一個缺點是它不能確定它看到的光閃爍是否真的來自中微子——可能是一些未知的過程正在產生過量的光子，這些光子模仿了中微子訊號。MicroBooNE 應該在今年晚些時候交付其首批資料，它可以區分中微子訊號和冒名頂替者。如果訊號結果是普通光子的過量，而不是電子中微子，那麼一切都將落空。“我們不知道在物理學方面是什麼會導致這種情況，但如果它是由光子引起的，我們知道這種惰性中微子解釋是不正確的，”德·古維亞說。
除了 MicroBooNE 之外，費米實驗室還在建造另外兩個探測器，它們將位於同一束中微子上，並協同工作以研究那裡發生的中微子振盪。新系統統稱為短基線中微子計劃，預計將於 2020 年投入執行，並可能在本十年初期提供確鑿的資料，費米實驗室中微子部門負責人史蒂夫·布萊斯說。
在此之前，物理學家將繼續辯論中微子的奧秘——這是一個規模和興奮度每年都在增長的領域。例如，在海德堡舉行的會議是有史以來規模最大的中微子會議。“在過去十年中，它一直在穩步上升，”布萊斯說。“這是一個難以研究的領域，但事實證明它是一個非常有成效的物理學領域。”