一個深埋在南極冰層下的天文臺報告了其對一種假設粒子的搜尋結果，該粒子被稱為“惰性中微子”：結果完全為空白。
這份於8月8日發表在《物理評論快報》上的無效結果，並沒有宣告為期數十年的尋找這種亞原子粒子的努力的終結。如果找到這種粒子，它將顛覆粒子物理學的標準圖景。但這是迄今為止最強有力的證據，表明惰性中微子在物理學家們基於過去三十年幾次實驗的異常現象而期望的質量範圍內並不存在。
中微子無處不在：每秒鐘，數萬億個亞原子粒子穿過我們的身體。但它們與物質的相互作用非常罕見，以至於探測它們需要配備用於探測中微子-物質碰撞的大型地下實驗。這些實驗已經發現了三種類型：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子；這三種類型在傳播過程中可以改變型別。
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在20世紀90年代中期，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個探測器發現了一個異常現象，暗示可能存在第四種中微子，它與物質的相互作用甚至比普通中微子更罕見。它被稱為“惰性”中微子，洛斯阿拉莫斯實驗表明它的重量約為氫原子質量的十億分之一——約為1電子伏特（1 eV）。其他實驗也發現了類似的異常現象。最近對來自核反應堆的中微子流的研究所做的研究，包括今年二月份在中國大亞灣進行的研究，在其資料中發現了奇怪的特徵，理論上，這些特徵可能指向惰性中微子。
冰中的答案
惰性中微子無法直接探測。“看到它的唯一方法是因為它擾亂了對其他三種中微子的觀測，”威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家弗朗西斯·哈爾岑說。哈爾岑是冰立方的主要研究員，冰立方是由5000多個籃球大小的感測器組成的陣列，嵌入冰中超過兩公里深。該望遠鏡透過探測當中微子粒子撞擊冰中的原子核時產生的微弱閃光來搜尋中微子。
為了搜尋惰性中微子，哈爾岑的團隊尋找了來自地球另一側的μ子中微子（參見“中微子天文臺”）。這些中微子最初是由宇宙射線與大氣中的空氣分子碰撞產生的，並穿過地球到達探測器。冰立方團隊希望在特定能量下發現μ子中微子數量的減少。這將表明，一些μ子中微子在旅程中暫時變異成了惰性中微子。
但是，在分析了一年的資料結果後，研究人員沒有發現任何表明在1 eV左右存在惰性中微子的特徵。這與歐洲航天局普朗克天文臺的結果一致，後者從宇宙學證據中得出結論，在該質量範圍內應該只有三類中微子。“我希望透過我們的結果和普朗克的結果，我們正在慢慢地從這個故事中走出來，”哈爾岑說。冰立方團隊仍在繼續收集惰性中微子搜尋的資料，但他補充說，不期望他們的結果會改變。
西班牙瓦倫西亞大學的理論粒子物理學家奧爾加·梅納·雷克霍同意，這些發現排除了惰性中微子對洛斯阿拉莫斯實驗異常現象的解釋——至少在最簡單的理論模型中是這樣。但她和其他物理學家表示，一些模型仍然可能為粒子的存在敞開大門。
特別是，大亞灣實驗計數的是電子中微子，而不是μ子中微子：原則上，惰性中微子變異成μ子中微子的可能性可能比變異成其他型別的可能性要小得多，廣州中山大學的物理學家凌嘉傑指出，他協調了大亞灣的惰性中微子分析。
搜尋仍在繼續
另外，X射線天文學家在某些星系中看到了無法解釋的光芒，根據一種理論，如果存在質量約為7000 eV的更重惰性中微子，也可以解釋這種光芒。今年早些時候，壽命短暫的瞳空間天文臺沒有發現7 KeV惰性中微子的證據，但加州大學歐文分校的理論天體物理學家凱沃克·阿巴扎吉安表示，該結果尚無定論。因此，對更重質量的搜尋仍在繼續：冰立方結果對這些更大質量的惰性中微子的存在沒有任何說明。
費米實驗室目前正在建造的三組探測器應該能夠最終排除洛斯阿拉莫斯異常現象，或者找到對其的解釋——這可能涉及也可能不涉及惰性中微子。
“搜尋惰性中微子就像在黑暗的房間裡打蝙蝠，”大亞灣實驗的主要研究員之一陸錦標說。“我們不知道它們藏在哪裡。”
本文經許可轉載，並於2016年8月8日首次發表。