隱秘的中微子粒子可能是通往暗物質領域的橋樑

參加我們在 2010 年於希臘雅典舉行的中微子會議上的演講的物理學家們，可能期望我們能夠平息十年前一項有爭議的發現。然而，我們卻讓他們陷入了震驚的沉默。

故事始於 1996 年，當時我們在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器 (LSND) 獲得的資料顯示，一個被廣泛接受的觀點可能存在問題，即中微子——微小而普遍存在的粒子，可以穿過大多數物質——分為三種類型，或稱“味”。我們的結果表明，可能存在第四種中微子味尚未被探測到。科學界對此持懷疑態度，事實上，一項後續實驗的早期資料暗示，我們 1996 年的結果是錯誤的——根本沒有第四種中微子味。在雅典的那一天，很明顯，聽眾期望我們最新的發現能夠徹底結束 LSND 的結果。然而，我們透露，第四種中微子存在的證據變得更加令人信服。

我們沒有發現這種粒子，但我們作為費米國家加速器實驗室在伊利諾伊州巴達維亞進行的迷你助推器中微子實驗 (MiniBooNE) 的一部分而進行的工作表明，當代對粒子物理學的理解幾乎肯定存在問題。最可能的解決方案是一種新的中微子——一種“惰性”中微子，之所以如此稱呼，是因為它不會以任何方式與其他物質相互作用，除了引力。自從我們在希臘的演講以來的十年裡，來自 MiniBooNE 的資料進一步支援了第四種中微子味的說法。

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我們現在認為，有超過 99.999999% 的可能性存在超出已知物理學範圍的事情，而惰性中微子是一個強有力的競爭者。然而，我們實驗可能正在探測第四種中微子的想法仍然存在爭議，因為粒子物理學的標準模型是歷史上經過最多測試和最徹底證實的理論框架之一——它只允許三種中微子。然而，我們知道標準模型並不完整，因為它無法解釋暗物質或暗能量，這些看不見的東西似乎主宰著宇宙。而一種新的中微子味可能只是通往那個隱秘領域的橋樑。最後，經過多年的不確定性，世界各地正在啟動幾個專案——包括我們自己的相干 CAPTAIN-Mills (CCM) 實驗——這些專案可能會結束這個謎團。

什麼是惰性中微子？

所有中微子都像幽靈一樣。每秒都有數萬億個中微子以接近光速的速度穿過你。然而，惰性中微子將是其中最像幽靈的一個。因為它不經歷強力、弱力和電磁力，而其他粒子透過這些力相互作用，所以它基本上是無法檢測到的。這種特性會使它成為物理學家稱之為暗物質領域的組成部分，其中包括構成宇宙能量密度 95% 的暗能量和暗物質。惰性中微子可能能夠透過新的自然力與暗物質相互作用。它們甚至可能是暗物質：一些假設表明，惰性中微子構成宇宙中一部分甚至大部分的不可見物質。

如果惰性中微子存在，那將是這個神秘的粒子家族給物理學家帶來的最新一系列驚喜。第一個驚喜發生在 20 世紀 60 年代，當時旨在捕獲從太陽飛向我們的中微子的實驗測得的數量遠遠少於科學家的預期。所有恆星都由核聚變反應提供能量，其中質子結合形成氦核，氦核又聚變形成更重的元素。這些反應的產物中包括電子中微子——三種已知味之一，另外兩種是μ子中微子和τ子中微子。理論預測，來自太陽的穩定粒子流會到達地球上的天文臺，但實驗測得的數量僅為預期數量的一小部分。由此產生的不足被稱為太陽中微子問題。

許多物理學家最初認為我們只是不太瞭解太陽是如何運作的。但真正的問題結果既更簡單，也更成問題。問題不是太陽發射的中微子比預期的少。而是中微子沒有到達我們的地面探測器——或者更確切地說，它們在途中發生了變化。

科學家們最終發現的是，中微子不是純粹的物體。相反，每個中微子都由所有中微子型別的混合物組成，並且可以在傳播過程中在各種味之間振盪。這一發現之所以令人驚訝，原因有很多。首先，中微子可以改變其味的事實意味著它們不可能是標準模型預測的以光速傳播的無質量粒子。原因是愛因斯坦的狹義相對論的一個推論，它告訴我們，對於運動中的物體來說，時間比靜止的物體流逝得更慢。隨著物體速度的增加，時間繼續減慢，直到時間實際上停止。那就是物體達到光速的點——這意味著如果你能以光速旅行，時間似乎會靜止不動，整個宇宙都凍結在原地。然而，如果中微子改變它們的味，它們就必須經歷變化並因此體驗時間。因此，它們必須以比光速更慢的速度傳播，這意味著它們不能是無質量的。根據相對論，以光速運動的粒子沒有質量，因此如果它們比光速慢，它們就必須有一定的質量——而標準模型就存在問題。這一發現以及中微子振盪的發現為高章梶田和阿瑟·B·麥克唐納贏得了 2015 年諾貝爾物理學獎。

令人驚訝的訊號

20 世紀 90 年代和 21 世紀初，當我們在 LSND 和 MiniBooNE 不斷發現額外中微子的跡象時，我們和其他人正在研究中微子切換味的意外能力。這兩個實驗都連線到產生穩定μ子中微子流的粒子加速器，並且都使用了放置在一定距離之外、經過調整以觀察電子中微子的探測器。

如果你可以沿著單箇中微子在太空中傳播，你會看到它從一種型別振盪到另一種型別，迴圈遍歷所有味。至少在原則上，電子味、μ子味和τ子味都是可以觀察到的。然而，如果惰性中微子存在，中微子也可能轉化為第四種味。對於一個沿途飛行的觀察者來說，粒子似乎只是在其飛行過程的這一段中消失了。在最簡單的情況下，中微子稍後會以常規味之一重新出現（儘管理論上存在惰性中微子可能衰變，從而完全結束振盪週期的可能性）。

三種正常中微子味之間的振盪最常發生在長距離上。然而，由於惰性中微子可能比常規味更重，因此粒子可能會更快地轉換為這種型別，並且同樣可以在較短的距離內從惰性味變回三種常規味之一。因此，如果惰性中微子存在，它們應該加速振盪過程，並大大縮短μ子中微子（例如）在轉化為電子中微子之前傳播的距離。

這正是我們在早期的實驗中發現的：似乎μ子中微子在從其源傳播的過程中消失的速度比我們預期的要快得多，並且電子中微子出現的數量也高於預期。我們觀察到振盪長度僅為數十米到數百米，而不是我們預期的數十公里到數百公里。如此高數量的μ子中微子本不應該能夠在實驗距離內轉換為電子中微子，除非，也許，它們在途中轉化為惰性中微子。

我們的實驗並不是唯一獲得異常結果的實驗。一些在核反應堆附近設定的中微子探測器也發現了不尋常的跡象。與太陽一樣，核反應堆也會產生中微子作為副產品，並且已經在它們附近進行了幾項實驗來研究這些粒子。他們發現的中微子數量少於預期，這表明一些粒子可能在從反應堆傳播的過程中振盪為惰性中微子。然而，這些結果更難解釋，因為物理學家並不確切知道裂變反應堆應該產生多少中微子。因此，低於預期的中微子計數可能是惰性中微子的結果，或者科學家可能只是高估了他們應該找到的粒子數量。

俄羅斯的物理學家正在透過一項名為 DANSS（detector of the reactor antineutrino based on solid-state plastic scintillator，基於固態塑膠閃爍體的反應堆反中微子探測器）的實驗來避免這些不確定性。該專案發生在核反應堆下方，但科學家們每隔幾天就會改變反應堆和中微子探測器之間的距離，以檢視電子中微子是否真的在遠離其源頭的過程中變形為其他味。即使研究人員沒有對反應堆中產生的中微子數量進行精確估計，這種方法也可能告訴研究人員是否正在發生短程振盪。

位於南極洲的巨大冰立方中微子天文臺也在尋找惰性中微子。這個埋在極地冰中的立方公里光探測器陣列記錄了一種稱為切倫科夫輻射的光訊號，這種訊號是在來自高層大氣的高能中微子與冰相互作用並引發粒子簇射時產生的。研究在光探測器中收集到的切倫科夫光可以告訴科學家關於引發粒子簇射的中微子的型別、能量和飛行方向。

冰立方團隊即將報告一項對穿過地球到達冰立方陣列的中微子進行的為期八年的分析。該研究將尋找μ子中微子消失的跡象，如果發現，可能意味著惰性中微子的存在，這與 LSND 和 MiniBooNE 的結果一致。

所有關於惰性中微子的證據都很有趣且具有啟發性，但尚未有定論。冰立方研究的中微子能量範圍很廣，這使得分析它們的振盪變得複雜。在反應堆實驗中，也很難區分研究人員尋找的中微子與太陽中產生的背景中微子以及常見探測器材料中放射性衰變產生的背景中微子，後者可能會偽裝成訊號。

在 LSND 和 MiniBooNE 等實驗中，可以開啟和關閉產生中微子的加速器，以確定背景噪聲的水平。即使在這些型別的實驗中，我們在一定程度上也受到我們無法在小範圍距離之外尋找中微子的限制。過去捕獲中微子的方法通常依賴於大型、固定的探測器，這限制了我們的靈活性。這些專案相當於從電影中的一個點拍攝一幀，而我們需要的是一系列幀來了解整個故事。

一種新穎的策略

現在即將上線的新型實驗應該能夠捕捉到我們需要的多個幀。理想情況下，正如前面提到的，我們將與中微子一起飛行並觀察它的振盪。我們無法做到這一點，但這些實驗為我們提供了一種在振盪過程中拍攝快照的方法，如果惰性中微子存在，這些快照可能會揭示其蹤跡。此類專案包括費米實驗室的短基線中微子計劃和我們在洛斯阿拉莫斯剛剛開始的 CCM 實驗。

CCM 位於洛斯阿拉莫斯中子科學中心 (LANSCE) 一個大廳中，位於 800 米長的粒子加速器的末端。加速器向鎢靶發射質子束。當質子撞擊鎢時，它們透過稱為中子散裂的過程將中子簇射出靶原子。在此過程中釋放的一些能量導致了短壽命π介子的產生。π介子很快停止運動並衰變為μ子，更重要的是，對於我們的目的而言，衰變為具有非常特定能量的μ子中微子。

CCM 透過相干中微子散射來探測中微子，這種效應依賴於所有粒子（包括中微子）不僅像小彈珠一樣，而且像波一樣運動的事實。這種波粒二象性是量子力學的基石。與粒子相關的波長取決於粒子的能量。高能量、快速運動的粒子具有短波長，而低能量、慢速運動的粒子具有長波長。當短波長中微子撞擊原子核時，它們會與原子核內的單箇中子或質子相互作用。但是，當一箇中微子的能量足夠低，使其波長與原子核的直徑相當時，就會發生一些特殊的事情。低能量中微子不是撞擊原子中的單個質子或中子，而是與整個原子核相互作用。這有點類似於波浪透過船隻。水面上的一系列小波紋對大型船隻的運動幾乎沒有影響，但開闊海洋上的非常長的波浪會顯著地抬起同一艘船隻。由於長波長中微子與整個原子核相互作用，而不是作為小塊集合相互作用，因此在低能量下中微子撞擊整個原子核的機會遠高於在高能量下。

與高能中微子不同，低能中微子會從原子的整個原子核反彈。這種型別的散射稱為“相干”，因為波長和原子核的大小相似。原子核在受到撞擊時會反衝。如果相互作用發生在合適的材料中，反衝原子會產生微小的閃光，而中微子會繼續前進，儘管方向與最初的方向不同。透過使用靈敏的光電倍增管探測器捕獲閃光，我們可以確定中微子從原子散射的時間和地點，以及原子的動能。雖然相干散射無法揭示單箇中微子的味，但它可以測量所有三種已知中微子味在相互作用中的總和。這個事實至關重要：如果總和不是預期的中微子數量，則可能涉及到未測量的惰性中微子——惰性中微子不會從氬氣中散射出來，因此不會產生任何閃光。

鑑於中微子撞擊整個原子核的機會高於其僅撞擊其中一個核子的機會，因此在這樣的實驗中，我們可以使用比過去許多中微子探測器所需的大型探測器更小的探測器。與 MiniBooNE 的 800 公噸礦物油探測器缸體相比，CCM 探測器包含 10 公噸液氬。並且由於探測器結構緊湊，我們可以將其從一個地方移動到另一個地方，以觀察來自其源頭一定距離範圍內的中微子。如果中微子在 LANSCE 實驗廳提供的數十米範圍內頻繁振盪，我們將觀察到中微子相互作用的總和隨距離變化。這樣的觀察結果將是惰性中微子正在發生的振盪的鐵證——因為只有三種味，我們在如此小的距離內應該看不到任何振盪。

當然，CCM 可能找不到惰性中微子的證據。在這種情況下，當我們將 CCM 探測器移離鎢靶更遠時，已知中微子的觀測結果似乎會穩定下降，就像燈泡的明顯亮度在你走開時會降低一樣。

儘管令人失望，但未檢測到並不能排除一種或多種惰性中微子的存在。然而，這將使我們能夠限制它們的潛在特性。由於中微子振盪取決於中微子的相對質量和一個稱為混合角的引數，因此未能找到惰性中微子的跡象可以讓我們掌握相對質量和混合角不太可能是什麼，從而有效地縮小了未來尋找惰性中微子必須考慮的引數範圍。

超越標準模型

提出與標準模型相悖結果的實驗人員被適當地視為有罪，直到被證明無罪，因為從歷史上看，挑戰標準模型的科學家都是錯誤的。然而，可以肯定的是，標準模型並不是故事的全部。僅中微子振盪就證明了這一事實。

自 1956 年我們的洛斯阿拉莫斯前輩弗雷德里克·賴內斯和克萊德·考恩首次發現中微子以來，中微子研究一直是物理學激動人心的新發展的先兆。儘管在首次發現惰性中微子的跡象 25 年後，惰性中微子仍然是一個有爭議的話題，但實驗現在正處於以某種方式解決爭議的邊緣。