很少有物理學家有幸將一種新的基本粒子帶到這個世界上。然而，當沃爾夫岡·泡利在1930年想到中微子的概念時，內心的不安抑制了他的反應。“我做了一件可怕的事情，”泡利後來告訴他的同事。“我假設了一種無法被探測到的粒子。”中微子確實難以捉摸——它幽靈般的性質使它能夠穿過幾乎所有的物理屏障，包括物理學家在粒子探測器中使用的材料。事實上，大多數中微子都乾淨利落地穿過地球，甚至沒有碰到另一個粒子。然而，事實證明泡利的擔憂有點言過其實：中微子是可以被探測到的——儘管這樣做需要付出巨大的努力和實驗的獨創性。
中微子在其他方面也是最奇怪的基本粒子。它們不構成原子，也與化學沒有任何關係。它們是唯一電中性的物質粒子。它們極其輕——不到最輕的物質成分電子的百萬分之一。而且，與其他粒子相比，中微子更會變形；它們在三種類型或“味”之間轉換。
這些微小的粒子讓物理學家們持續震驚了80多年。即使在今天，關於中微子的基本問題仍然沒有答案：中微子只有三種味，還是存在更多種味？為什麼所有中微子都如此輕？中微子是它們自己的反物質對應物嗎？為什麼中微子如此驚人地改變特性？
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在世界各地——在粒子對撞機、核反應堆和廢棄的礦井中——可以解決這些問題的新實驗正在上線。它們提供的答案應該為自然的內在運作提供重要的線索。
中微子的奇異性使其成為指引粒子物理學家進行艱鉅航行的北極星，這場航行旨在構建一個所謂的“大統一理論”，以一致的數學框架描述除引力之外的所有粒子和力。粒子物理學的標準模型是迄今為止關於粒子和力的最佳理論，但它無法容納中微子的所有複雜性。它必須被擴充套件。
輕質量但緊迫
構建標準模型中微子部分的常用方法是引入稱為右手中微子的新實體。手徵性是電荷的一種變體，它決定了粒子是否感受到弱相互作用，即負責放射性衰變的力；粒子必須是左手性的才能感受到弱力。因此，這些假設的右手粒子將比它們的左手同伴——實驗證明的標準模型中微子——更加難以捉摸。所有中微子都被歸類為輕子——也包括電子的擴充套件粒子家族——這意味著它們不感受將原子核中的質子和中子結合在一起的強力。由於缺乏電荷，中微子也不直接感受電磁力。對於已知的三個中微子味，只剩下引力和弱相互作用力，但右手性中微子甚至對弱力也是不可見的。
如果存在右手中微子，它將為另一箇中微子難題提供一個非常合理的解釋：為什麼三種左手性中微子——電子中微子、μ子中微子和τ子中微子——都具有如此小的質量。
大多數基本粒子透過與普遍存在的希格斯場相互作用來獲得質量。（希格斯在3月份成為頭條新聞，當時日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的物理學家宣佈，結果強烈表明2012年發現的一種新粒子確實是長期以來尋找的希格斯玻色子。該玻色子是希格斯場的粒子對應物，正如光子是電磁場的對應物一樣。）在這個過程中，希格斯帶走了粒子的弱力版本的電荷。由於右手中微子缺乏這種電荷，它們的質量並不依賴於希格斯場。相反，它可能來自大統一的極高能量下的另一種機制，這將使右手中微子變得非常重。
量子效應可以將右手中微子與其左手同胞聯絡起來，從而導致一個粒子的巨大質量“感染”另一個粒子。然而，這種傳染性將非常弱——如果右手中微子患上肺炎，左手中微子只會患上輕微咳嗽——這意味著左手質量將非常小。這種關係被稱為蹺蹺板機制，因為一個大質量會抬升或抬起一個較小的質量。
中微子質量的另一種解釋來自超對稱性，它是標準模型之外新物理學的主要候選者。在超對稱性假設中，標準模型中的每個粒子都有一個尚未被發現的夥伴。所謂的超對稱粒子必須非常巨大才能至今逃脫探測，這將立即至少使基本粒子的數量增加一倍。如果超對稱粒子存在，LHC可能能夠產生它們並測量它們的特性。
超對稱性最吸引人的特性之一是，被稱為中性子的超粒子是暗物質的良好候選者——星系和星系團中的質量，它施加引力，但不發光，也不以其他明顯的方式顯現自身。只有當中性子在很長一段時間內保持穩定，而不是迅速衰變為其他粒子時，它才符合暗物質的要求。
因此，壽命短暫的中性子會將暗物質研究人員送回繪圖板，但可能證明對中微子物理學家來說是一個福音。中性子的穩定性取決於一個假設的性質，稱為R奇偶性，它阻止了超對稱夥伴衰變為任何普通標準模型粒子。然而，如果R奇偶性不成立，中性子就會變得不穩定——其衰變部分取決於中微子的質量。
我們中的兩人（希爾什和波羅德）與西班牙瓦倫西亞大學的何塞·巴列和葡萄牙里斯本技術大學的豪爾赫·C·羅馬奧合作，已經證明中微子和中性子之間的聯絡可以在LHC上進行測試。如果中性子的穩定性確實取決於中微子，那麼中性子的壽命將可以從已知的中微子特性中預測出來。而且恰好超粒子應該存在足夠長的時間，以便物理學家能夠追蹤其整個壽命——從產生到衰變——在LHC的探測器內部。
什麼是反物質？
對中微子微小質量的所有合理解釋都指向了未開發的物理學領域。然而，其中一種解釋——蹺蹺板機制——也可能與物質如何戰勝反物質的謎團有關——這場勝利使宇宙結構的形成以及最終生命的進化成為可能。
標準模型中的每個粒子都有一個反物質對應物，一種具有相反電荷的“比扎羅世界”版本。例如，電子的電荷為-1，而反電子或正電子的電荷為+1。當電子和正電子碰撞時，它們的電荷相互抵消，粒子在輻射爆發中湮滅。右手中微子的完全不帶電荷可能具有重要的意義：這可能意味著，對於中微子來說，物質和反物質是相同的。在物理學術語中，電子和正電子被稱為狄拉克粒子。另一方面，自身是反物質對應物的粒子是馬約拉納粒子。
如果蹺蹺板理論準確地反映了粒子世界的運作方式，那麼左手中微子不僅感染了質量，還感染了右手中微子的馬約拉納性。換句話說，如果一些中微子是它們自身的反粒子，那麼所有的中微子都是。
中微子及其反粒子是同一個粒子將有各種有趣的含義。例如，中微子可以觸發粒子和反粒子之間的躍遷。在大多數粒子反應中，所謂的輕子數，或輕子數減去反輕子數，是守恆的——它不會改變。然而，中微子可能會違反這條規則，造成物質和反物質的不平衡。對於我們人類來說，這種不平衡是一件非常好的事情，因為如果物質和反物質在大爆炸後平等配對，它們將完全相互湮滅，不留下任何東西來構建星系、行星和生命形式。長期以來，物質支配反物質的解釋一直困擾著物理學家和宇宙學家。
消失的行動
中微子及其反粒子之間的聯絡不必停留在誘人但最終未解決的理論領域。過去和現在的許多實驗都在尋求明確回答中微子是否實際上是它們自身的反粒子，方法是尋找一種稱為核雙β衰變的放射性事件。
中微子和反中微子最初是在核β衰變中被觀察到的，原子透過核β衰變發射一個電子，以及一個反中微子。在一些核同位素中，可以同時發生兩個β衰變，在正常情況下，會發射兩個電子和兩個反中微子。然而，如果中微子是馬約拉納粒子，那麼在第一次衰變中發射的同一個反中微子可以在第二次衰變中被吸收。結果是雙β衰變不發射任何中微子或反中微子[見對頁的方框]。轉眼間，在以前沒有輕子的地方，出現了兩個輕子（電子），而沒有它們通常的、平衡的反輕子（反中微子）。換句話說，這種所謂的無中微子雙β衰變違反了輕子數守恆。
目前，尋找無中微子雙β衰變是我們檢驗特別是馬約拉納中微子和一般輕子數違反的最佳方法。原則上，無中微子雙β衰變實驗很簡單：收集一種核同位素，如鍺76，其中可能發生同時β衰變，然後等待出現兩個沒有中微子陪伴的電子。然而，實際上，這些實驗非常困難。任何型別的雙β衰變都極其罕見，因此實驗者必須收集大量的鍺或其他源材料，才能有望記錄無中微子變體。更糟糕的是，從宇宙射線中不斷降落在地球上的亞原子粒子流傾向於淹沒來自雙β衰變的微小訊號。因此，實驗人員必須將他們的探測器深埋在地下或以前的礦井或其他地下實驗室中，在那裡，上覆的岩石可以遮蔽幾乎所有的宇宙射線。
不幸的是，迄今為止關於無中微子雙β衰變的唯一報告，來自義大利的海德堡-莫斯科雙β衰變實驗，受到了其他物理學家的強烈質疑。剛剛開始獲取資料或正在建設中的下一代探測器將進行更徹底的搜尋。在新墨西哥州進行的名為EXO-200的實驗和在日本進行的名為KamLAND-Zen的實驗最近公佈了他們搜尋無中微子雙β衰變的初步資料，這與早期的說法產生了摩擦，但並未明確排除它。
義大利的GERDA實驗於2011年上線，它使用與海德堡-莫斯科裝置相同的同位素，採用改進的設計，旨在直接對抗其前任的爭議性發現。EXO-200和KamLAND-Zen實驗都在繼續執行，一個名為CUORE的裝置計劃於2014年在義大利開始獲取資料。目前正在進行的大量先進實驗為在本十年末之前確認無中微子雙β衰變提供了非常合理的希望。
光開關
發現一個尚未被發現的中微子或證明中微子和反中微子是同一個粒子，將為這些已經令人困惑的粒子增加一個全新的神秘層面。但是，即使我們物理學家們在尋找這些粒子的新方面，我們仍在努力解決中微子的一個有據可查但知之甚少的屬性——它們強烈的變形傾向背後的機制。在文獻中，我們說，輕子味違反量或中微子混合量與夸克味之間的混合量相比很大，夸克是構成質子和中子的基本粒子。
世界各地的許多研究小組正在研究新構想的自然對稱性——表面上不同的力和粒子之間的關鍵共性——如何解釋這種行為。一個例子是已知粒子從一種粒子轉變為另一種粒子的方式中固有的對稱性。加爾各答薩哈核物理研究所的 Gautam Bhattacharyya、德國多特蒙德技術大學的 Philipp Leser 和我們中的一位（Päs）最近發現，這種對稱性將顯著影響希格斯場。夸克和中微子與希格斯場的味交換相互作用將體現在希格斯玻色子的奇異衰變產物中，這些產物應該可以在LHC上觀察到。這樣的訊號可能指向中微子過度活躍的嬗變背後的潛在機制，這肯定將是LHC最引人注目的發現之一。
與此同時，另一類實驗正在確定粒子身份轉換的頻率。日本的T2K、明尼蘇達州的MINOS和義大利的OPERA等長基線實驗探測了來自數百公里外的粒子加速器的中微子束，以測量中微子穿過地球長距離時的味道變化[見第23頁的方框]。這些實驗的規模如此之大，以至於中微子在旅程中可能會跨越州界甚至國際邊界。（2011年，OPERA成為新聞，當時該合作組織的物理學家宣佈，他們實驗中的中微子似乎以超過光速的速度從歐洲核子研究中心傳播到義大利的一個地下實驗室——這一測量結果很快被證明是有缺陷的。）為了補充這些長距離中微子實驗，法國的Double Chooz專案、中國的大亞灣反應堆中微子實驗和韓國的RENO都測量了來自核反應堆的中微子的短程振盪。
直到2012年，這些實驗才最終確定了所謂的混合角中最後一個也是最小的一個——控制中微子味之間轉換的引數。最後一個被確定的混合角，被稱為反應堆角，描述了電子中微子或反中微子在短基線上的轉換機率。反應堆角的測量開啟了未來中微子實驗可能能夠比較中微子和反中微子的特性的可能性。粒子及其反物質對應物之間的不對稱性將被稱為CP破壞，並且與無中微子雙β衰變的研究一起，可能與宇宙中為什麼物質多於反物質的謎團有關。
在正在進行的搜尋中，T2K可能最有機會看到CP破壞的跡象。但是，新一代實驗正在競相回答關鍵的中微子問題——而且這有望令人興奮。目前正在美國建設的長基線NOvA實驗也有可能發現中微子中的CP破壞。NOvA將從伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室向威斯康星州和蘇必利爾湖尖端的探測器發射中微子束，到達810公里外的明尼蘇達州阿什河。中微子將在不到三毫秒的時間內完成這段旅程。
在其研究目標中，NOvA還旨在闡明中微子質量等級——確定哪個中微子最輕，哪個中微子最重。目前，物理學家只知道至少有兩種中微子具有非零質量，但是，正如這些幽靈粒子的許多方面一樣，細節仍然難以捉摸。
揮之不去的謎團
由於正在進行如此多的中微子實驗——具有不同的目標、不同的設計和不同的粒子源——來自全球各地的各種資料有時會產生相互衝突的解釋。最吸引人——但也最具爭議性——的實驗暗示表明存在一種稱為惰性中微子的新粒子。
與泡利在1930年的擔憂相呼應，惰性中微子將只能間接探測到，就像蹺蹺板機制中更重的右手中微子一樣。（然而，從理論的角度來看，這兩種提出的粒子幾乎是互斥的。）儘管如此，兩個實驗可能已經捕捉到惰性中微子的蹤跡。LSND於1990年代在洛斯阿拉莫斯國家實驗室執行，發現了早期但有爭議的證據，證明存在一種難以捉摸的中微子味道轉換型別——μ反中微子轉變為電子反中微子。費米實驗室的MiniBooNE於2007年開始產生科學成果，也暗示了這種轉換。然而，LSND和MiniBooNE振盪與標準的三中微子圖景不完全吻合。
量子力學允許中微子僅在它們具有質量的情況下才在味道之間振盪——並且僅當每種味道都具有不同的質量時。各種中微子質量可能會觸發中微子轉換以解釋LSND和MiniBooNE異常，但這隻有在除了已經知道的質量差之外還存在另一個質量差時才有可能——換句話說，只有在存在四種中微子型別而不是三種時才有可能。額外的中微子與弱力耦合將使Z玻色子——弱力的載體——衰變太快，因此該粒子根本不會與弱力相互作用。因此，被稱為“惰性”：這種假設的中微子幾乎完全與粒子動物園的其餘部分脫鉤。
另一種完全不同的探測器，它可以捕獲來自附近核反應堆的中微子，也記錄了令人驚訝的結果，這些結果可能指向惰性中微子。來自多個反應堆實驗的資料表明，電子反中微子在非常短的距離內異常消失，如果用中微子振盪來解釋，這將暗示惰性中微子的存在。這種異常現象已經存在一段時間了，但最近對各種反應堆的中微子輸出的重新計算加強了對新粒子的論證。
關於惰性中微子的證據（如果有的話）仍然是粗略的、間接的和衝突的——所有這些都是在追求一種臭名昭著的難以捉摸的，甚至可能不存在的粒子時可以預期的。然而，MiniBooNE和一項名為MicroBooNE的配套實驗（目前正在費米實驗室建設中）可能很快就會對此事有更確鑿的說法。並且，一批新的擬議實驗，將研究反應堆異常，也在討論中。
令人矚目的是，強大的LHC和相對低能量的中微子實驗為探索自然的內在運作提供瞭如此互補的途徑。在沃爾夫岡·泡利構思出他的“無法探測到的粒子”80多年後，中微子繼續嚴守它們的秘密。儘管如此，解開這些秘密的潛在回報證明了數十年來為進一步窺探中微子的私生活所做的努力是值得的。