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中微子在宇宙中無處不在，但我們看不到它們，感覺不到它們，也幾乎無法阻止它們。它們每秒以數萬億的數量流經我們的身體，在原子之間的空間中穿梭，幾乎沒有發生碰撞。這些幽靈般的粒子在大爆炸期間大量產生，像太陽這樣的恆星一直在不斷地產生更多的粒子。然而，儘管它們數量眾多，中微子可能是宇宙中最神秘的粒子。
幾十年來，物理學家認為中微子沒有質量，但在1998年發現這些粒子確實具有非常小但非零的質量時，他們感到震驚。它們到底有多大的質量仍然未知。然而，更大的問題是，它們為什麼會有質量？
中微子出乎意料的質量代表了對粒子物理學的主導規律（稱為標準模型）的偏離，因此，弄清這種質量的原因可能會為更深入、更全面的解釋組成我們世界的粒子鋪平道路。印第安納大學物理學家馬克·梅西耶說：“這確實是標準模型在相當長一段時間內的第一個裂縫，人們非常想試圖把這個裂縫拉開，看看那裡發生了什麼。”此外，中微子似乎是一個更大謎團的核心：我們為什麼生活在一個由物質而不是反物質構成的宇宙中的問題。這兩種物質應該在時間開始時以大致相等的數量產生，但不知何故物質勝出。科學家懷疑，解決中微子質量問題可能有助於揭示原因。
一項新的實驗，將中微子從伊利諾伊州地下束射到明尼蘇達州，正在瞄準這個謎題。該NuMI 離軸電子中微子出現實驗，或NOvA實驗，透過加速質子並將它們撞擊到芝加哥附近費米國家加速器實驗室內的碳核中來產生中微子。這些碰撞會產生大量的新粒子，包括一些會衰變成中微子的粒子。然後，中微子以接近光速的速度直線穿過地球 800 公里，到達明尼蘇達州北部的阿什河實驗室。在途中，這些粒子做了一些不可思議的事情——它們改變了身份。
中微子味 中微子有三種“味”，稱為電子、μ子和τ子。然而，它們並不侷限於一種——它們可以隨時改變味。費米實驗室的實驗旨在僅產生μ子味的 中微子。然而，當它們到達明尼蘇達州時，其中一部分將變成電子和τ中微子。這些粒子透過兩個探測器——一個在旅程的開始，一個在旅程的結束——來向科學家們展示有多少粒子在旅程中翻轉了味道。這些轉變受到中微子質量的影響，NOvA 的資料可能會指出理解這些質量如何產生的方向。
[幻燈片：大型實驗尋找微小的中微子]
明尼蘇達州的阿什河探測器旨在識別電子中微子。它包含一個由薄塑膠管組成的網格，這些塑膠管填充著一種在受到激發時會發光的液體材料。這個 14,000 噸的建築是世界上最大的獨立塑膠結構。“有一次，我們打算聯絡吉尼斯世界紀錄來證明它，但我不知道這是否真的發生了，”費米實驗室物理學家史蒂夫·布賴斯說。大多數中微子會直接穿過液體而不會發生事故，就像它們通常在不發生相互作用的情況下穿過物質一樣。然而，在極少數情況下，中微子會與液體中的原子發生相互作用，導致該物質根據中微子的味道釋放出一個粒子。如果產生一個電子，它會在液體中產生閃光，這被記錄為檢測到單個電子中微子。儘管每時每刻都有大量的中微子穿過，但這種相互作用每天只會發生幾次。然而，隨著時間的推移，研究人員可以建立一個可靠的估計，即從費米實驗室傳播的μ子中微子轉化為電子中微子的頻率，或振盪的頻率。
知道這個速率可能會為中微子的質量提供新的線索。科學家們不僅不知道它們的絕對質量，他們也不知道質量之間的間隔有多大，也不知道哪個味道與最重的質量相關。中微子可以振盪這一事實告訴研究人員，它們有質量——而且這些味道的質量不相同。不同的質量導致各種中微子（根據量子力學，可以被認為是粒子和波）以略微不同的頻率傳播。這些波逐漸與彼此同相和異相，研究人員將不同的組合視為中微子味道的變化。
由於中微子振盪和質量是如此緊密地交織在一起的，過去實驗中對這些轉換的測量已經表明，中微子質量的排列是有限的選擇。本質上，電子中微子必須比其他兩種味道更重或更輕。後一種情況稱為正常質量等級，因為中微子的味道將與它們命名的粒子平行：電子中微子將比μ子中微子輕，而μ子中微子比τ中微子輕，就像電子本身比μ子輕，而μ子比τ子輕一樣。另一種選擇，稱為反向等級，是電子中微子是最重的味道。根據理論預測，“通常，我們正在研究的中微子振盪過程在等級正常時發生得更頻繁，”NOvA 的共同發言人梅西耶說，“當等級反向時，該過程會被抑制。”
中微子質量的起源
每個等級選項都與解釋中微子為什麼具有質量的不同理論聯絡在一起。例如，反向質量等級意味著兩個較重的中微子的質量幾乎完全相同。“具有完全相同質量的粒子是一個很大的訊號，表明它們有一些子結構，”西北大學的理論家安德烈·德·古維亞說。“一種合理的可能性是，中微子可能是由更基本的粒子組成的。這可能表明，從根本上講，所有中微子都是同一物體的不同表現形式，在低能量或長距離處可能看起來像不同的粒子。”
中微子似乎不像其他粒子那樣透過希格斯玻色子獲得質量。這個現在著名的粒子，於 2012 年在大型強子對撞機上被發現，與一個遍佈宇宙的“希格斯場”相關聯。當粒子穿過這個場時，它們透過與它的相互作用獲得質量。中微子的特殊性——特別是它們是“左手”粒子（一種與自旋方向有關的指定）這一事實——意味著中微子可能無法與希格斯場相互作用。此外，從希格斯獲得質量的粒子往往更重。據科學家所知，中微子的質量比其他同類粒子（如電子）輕約一百萬倍。“必須有一些新的機制賦予中微子質量，”梅西耶說。“這一百萬的因子有點要求解釋。”
中微子質量圖景因中微子味不具有絕對、固定的質量這一奇怪事實而變得複雜。相反，每個味態都是所謂質量態的疊加或重疊——實際上是具有特定質量的機率。中微子內部質量態的這種並列實際上賦予了粒子改變味道的能力。
在更深層次上，瞭解中微子質量態的順序以及它們為什麼如此之小，可能不僅揭示中微子，而且揭示物理學的本質。“有些人認為這些數字有點隨機，”費米實驗室的理論家斯蒂芬·帕克說。“我不相信。我相信存在某種機制，我們最終會發現這種機制可以解釋為什麼質量態具有電子、μ子和τ子的特定混合物。這是個大問題，也是十二月份前往斯德哥爾摩的問題。”
反物質之謎
一旦科學家知道中微子質量等級，他們將能夠更好地澄清關於這些粒子的另一個緊迫的謎團：中微子是它們自己的反物質對應物嗎？所有常規物質粒子都被認為具有質量相等且電荷相反的反物質夥伴。物理學家認為，某些粒子（所謂的馬約拉納粒子）是物質和反物質。如果中微子是這種情況，那麼當兩個中微子碰撞時，它們應該像物質和反物質接觸時一樣相互湮滅。
確定中微子是否是馬約拉納粒子取決於一個困難的實驗，該實驗尋找一個可能的過程，稱為無中微子雙β衰變，其中兩個作為放射性衰變的正常副產品產生的中微子相互抵消，導致中微子缺失。如果中微子質量等級是反向的，衰變過程會更快發生。到目前為止，還沒有人觀察到無中微子雙β衰變，但科學家仍在尋找。“這些實驗的靈敏度取決於電子中微子的有效質量，”NOvA 共同發言人、哈佛大學物理學家加里·費爾德曼說。“在正常等級中，它們的靈敏度將非常低。如果它是反向排序，則測量結果可能在這些實驗的範圍內。”
知道中微子是否是馬約拉納粒子反過來可以幫助科學家解決質量之謎。“如果中微子是馬約拉納粒子，這將是一個關於其質量來自哪裡的真正重要的提示，”德·古維亞說。“在一種路徑中，中微子是馬約拉納粒子，在另一種路徑中，它不是。從理論的角度來看，從這兩種角度理解中微子質量是非常不同的。如果我們能找出哪種可能性是正確的，我們就會排除一堆不同的理論。”
最終，物理學家認為中微子可以解決一個關於反物質的更大的謎團——為什麼宇宙不是由反物質而是由物質構成的？要理解為什麼這令人困惑，請考慮物理學家目前認為在大爆炸之後發生的事情：大量剛剛產生的物質和反物質聚集在一起並相互摧毀。所有這些湮滅之後剩餘的少量物質構成了我們今天的星系、恆星和行星。
為了找出物質如何佔據上風，科學家們正在尋找物質和反物質行為方式中的不對稱性。他們已經排除了大多數型別粒子存在這種不對稱性的可能性。“在標準模型中，只有少數幾個地方可以隱藏這種物質-反物質不對稱性，”梅西耶說。“大量證據表明，中微子是這個重大問題的根源。”如果中微子不是馬約拉納粒子，那麼或許中微子振盪到其他味的速度與反中微子不同。這些不同的速度，可能導致更多的中微子在早期宇宙的物質-反物質湮滅時代倖存下來。
NOvA 有能力測量中微子和反中微子，因此它將尋找它們振盪率的差異。單靠這項實驗，不太可能靈敏到足以發現不對稱性。然而，NOvA 和其他中微子實驗的綜合資料可能指向正確的方向。NOvA 的主要競爭對手是日本的東海到神岡 (T2K) 實驗，它具有類似的設定。中微子在 T2K 中僅傳播 300 公里（而 NOvA 為 800 公里），但其主探測器更大、更靈敏。“當你把 NOvA 的資料與世界各地其他實驗的資料結合起來時，你就可以開始觸及[反物質不對稱性]問題的表面，”費米實驗室主任奈傑爾·洛克耶說。
他說，要真正回答這個問題，可能需要一個更大的實驗。費米實驗室的科學家們已經在制定下一代專案的計劃，該專案名為長基線中微子實驗 (LBNE)，計劃在 NOvA 執行結束後取代它。該設施將把中微子從費米實驗室發射到南達科他州，穿過 1290 公里的地球。其探測器也將被放置在地下，以進一步遮蔽汙染性輻射。美國高能物理學界的大部分力量都團結支援這項計劃，歐洲和印度表示希望加入。“這需要世界各界人士的共同努力，才能說我們想做這個實驗，”洛克耶說。“就資金而言，現在是一個非常困難的時期，但我是一個樂觀主義者。我認為我們已經把自己定位得很好。”