中微子之謎

我正站在一個巨大的洞穴中的貓道上，那裡堆滿了工業裝置，有人告訴我，每秒都有數萬億個中微子穿過我身體的每一寸。我伸出雙臂，彷彿要增強這種感覺，但當然，我什麼也感覺不到。這些幽靈般的粒子幾乎沒有質量，以接近光速的速度行進，無聲無息地穿過我原子之間的空隙。它們也幾乎不受阻礙地穿過佔據洞穴的巨大的金屬箱。但每天有幾次，其中一箇中微子會與這個校車大小的裝置內部的原子碰撞，釋放出帶電粒子，這些粒子會留下科學家可見的光跡。物理學家希望，這些光跡將帶領他們進入未知的領域。

該裝置是費米國家加速器實驗室（Fermilab）的 NuMI 離軸電子中微子出現實驗（NOvA）的一部分，位於伊利諾伊州巴達維亞。一個類似但更大的探測器埋在 800 公里外的明尼蘇達州，它捕獲穿過這個探測器以及兩者之間所有地面的中微子。NOvA 自 2014 年開始執行，是世界上距離最長的中微子實驗，但它正在為更大的專案——深地中微子實驗（DUNE）奠定基礎。DUNE 將在費米實驗室啟動，在那裡，加速器將加速並將質子撞擊石墨，以產生中微子束。然後，這些中微子將穿過從伊利諾伊州到南達科他州 1300 公里的地球。額外的 500 公里行程應該會使中微子更有可能展現出它們一些標誌性的奇怪行為。

DUNE 是自 20 世紀 90 年代失敗的超導超級對撞機（SSC）以來，美國本土嘗試過的最雄心勃勃的粒子物理實驗。這個耗資 15 億美元的專案計劃於 2020 年代啟動，預計至少執行 20 年。但不僅僅是美國人感到興奮——該專案涉及來自 31 個國家和地區的 1000 多名研究人員，而且人數還在增加。它將是地球上最大的中微子實驗。它也將標誌著歐洲主要的粒子物理實驗室 CERN 首次投資於歐洲大陸以外的專案。正如大型強子對撞機（LHC）在 2012 年發現了著名的希格斯玻色子，揭示了一個充滿宇宙的隱藏場的存在一樣，科學家們希望 DUNE 可以利用中微子在更深層次上理解宇宙。“我們希望像 LHC 為希格斯玻色子所做的那樣為中微子做點什麼，”DUNE 的前任聯合發言人馬克·湯姆森說，他是一位來自劍橋大學的精力充沛的英國人，曾幫助領導這項實驗。（他目前是英國科學與技術設施委員會的執行主席。）“我們相信我們正處於啟動粒子物理學下一次重大革命的邊緣。”

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中微子激發瞭如此奢華的希望，因為它們是第一個突破所謂標準模型的粒子，標準模型是物理學家對自然基本粒子及其支配規則的最佳描述。標準模型以非凡的精度解釋了每一種其他已知粒子的行為，但它預測中微子應該是沒有質量的。科學家們也一直這樣認為，直到大約 20 年前，日本和加拿大的實驗發現中微子確實具有極小的質量。但中微子似乎並沒有像其他粒子那樣獲得質量。相反，看起來，它們是透過所謂的新物理學獲得質量的——一些科學家尚未發現的粒子、力或現象。

在過去幾年中，中微子看起來越來越像是通往未來物理學的一座更有希望的橋樑，因為其他到達前沿的嘗試都以失敗告終。到目前為止，LHC 尚未產生任何標準模型未預測的粒子。旨在揭示構成暗物質的粒子的實驗也一無所獲，暗物質是支配宇宙的不可見物質。“我們知道標準模型是不完整的——還有其他事情在發生，但我們不知道是什麼，”費米實驗室中微子物理學家斯蒂芬·帕克說。“有些人用他們的職業生涯押注 LHC。我們其他人則押注中微子。”

巨大的謎團

在我參觀 NOvA 洞穴的第二天，我發現自己坐在費米實驗室主樓羅伯特·拉斯本·威爾遜大廳三樓的一間空蕩蕩的辦公室裡。帕克和西北大學的理論家安德烈·德古維亞也在這裡，他說他選擇這間辦公室作為我們的會面地點，因為它曾經是已故的費米實驗室前主任萊昂·萊德曼的辦公室，萊德曼開發了一種用粒子加速器產生中微子束的方法。這項工作是 DUNE 的基石，它在 1962 年揭示了三種已知型別的中微子之一的存在，並後來為萊德曼贏得了諾貝爾獎。帕克和德古維亞承認，儘管自萊德曼時代以來，該領域已經取得了長足的進步，但科學家們仍然感到困惑。“關於中微子的事情是，你瞭解得越多，你的問題就越多，”帕克說。“它們是非常淘氣的粒子。”

帕克是紐西蘭人，在 20 世紀 70 年代來到美國讀研究生後不久就迷上了中微子。在隨後的幾十年裡，中微子失去了作為無質量、乏味粒子的聲譽。“革命接踵而至，”他說。“問題是，那裡還有更多的革命嗎？”他和德古維亞都認為有。“我們才剛剛開始以與其他粒子相當的水平測量中微子特性，”德古維亞說。“我們不知道它們的質量，可能存在新的[型別的中微子]，中微子可能會與其他粒子對話，而這些粒子不與其他任何粒子對話。”

DUNE 將專注於中微子奇異的身份交換傾向，這個過程稱為振盪。這些粒子有三種類型，或稱風味：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。研究人員可以區分它們，因為當它們與探測器中的原子相互作用時，它們會產生不同的最終產物——電子中微子產生電子，μ子中微子產生μ子，τ子中微子產生τ子（μ子和τ子是電子較重的表親）。奇怪的是，這三種風味是可變的。粒子可能以μ子中微子的形式離開費米實驗室，並以電子中微子的形式到達南達科他州。或者它們可能以τ子中微子的形式出現。據物理學家所知，中微子是唯一會經歷這種奇異的身份轉變行為的粒子。

當物理學家在大約 20 年前發現中微子的變形傾向時，它解決了一個長期存在的謎團。在 20 世紀 60 年代，當科學家開始研究從太陽流出的中微子時，他們測得的輸出量僅為理論預測的三分之一左右。振盪解釋了原因：缺失的三分之二在傳播到地球的過程中從電子中微子變形為μ子中微子和τ子中微子，但儀器被設定為僅觀察電子中微子。儘管這一發現結束了所謂的太陽中微子問題，但它暴露了另一個謎團：根據理論，中微子改變風味的唯一方法是它們具有質量——而這正是標準模型所沒有預測到的。

物理學家知道中微子必須有質量的原因是一個令人費解的問題，它來自量子理論。為了讓中微子改變風味，每種風味都必須由不同的“質量態”組成。奇怪的是，每種中微子風味似乎都沒有確定的質量；相反，這些風味是三種可能質量的混合物。（如果這聽起來很奇怪，那就怪量子力學，它告訴我們粒子不是確定的實體，而是不確定的機率霧。）當<0xC2><0xA0>中微子在太空中飛行時，與每種質量態相關的部分以略微不同的速率傳播，這是愛因斯坦狹義相對論的推論，該理論確定了接近光速傳播的粒子的速度取決於其質量。隨著時間的推移，人們認為這種差異會導致每種中微子中質量混合物的變化，因此，例如，一個最初是μ子中微子的粒子，由其精確的質量混合物定義，可以變成電子或τ子中微子。

科學家們仍然不知道精確的中微子質量態是什麼——只知道它們是不同的且非零的。但是，透過計算從伊利諾伊州到南達科他州的旅程中有多少中微子發生振盪，DUNE 旨在確定不同中微子質量之間如何比較。理論表明，三種可能的中微子質量的排序可能是兩個非常輕，一個重，或者另一種選擇是，兩個質量重，一個較小。第一種選擇被稱為正質量層級，而第二種安排被稱為倒質量層級。DUNE 應該能夠區分兩者，因為地球內部的物質被認為會影響中微子振盪；如果正質量層級是正確的，科學家們預計會看到與倒質量層級正確時不同的三種風味的比率。“透過將中微子穿過物質發射，你可以非常容易地確定這種差異，而且你發射中微子的距離越遠，你的訊號就越清晰，”湯姆森說。“這是 DUNE 絕對有保證在幾年內解決的物理學問題。”

質量的起源

一旦他們知道中微子質量的排序，研究人員就可以著手解決中微子如何獲得質量的更大問題。大多數粒子，例如原子內部的質子和中子，都是透過與希格斯場相互作用獲得質量的；這個場遍佈整個空間，與在 LHC 發現的希格斯玻色子有關。但希格斯機制僅適用於兼具右手性和左手性的粒子，這是一種與它們的自旋相對於其運動方向的方向相關的根本差異。到目前為止，中微子只以左手性形式被觀察到。如果它們從希格斯場獲得質量，那麼右手性中微子也必須存在。但右手性中微子從未被觀察到，這表明如果它們是真實的，它們根本不與自然界中的任何其他力或粒子相互作用——這種前景在一些物理學家看來是牽強的。此外，如果希格斯場確實對中微子起作用，理論家會期望它們具有與其他已知粒子相似的質量。然而，中微子卻莫名其妙地輕。無論質量態是什麼，它們都不到已經很小的電子質量的十萬分之一。“很少有人認為希格斯機制賦予了中微子質量，”費米實驗室主任奈傑爾·洛克耶說。“可能存在一種完全不同的機制，因此應該存在與其他粒子相關的粒子，這些粒子與這種情況的發生方式有關。”

一個令物理學家興奮的可能性是，中微子可能是馬約拉納粒子——它們是自身的反粒子。（這是可能的，因為中微子沒有電荷，而電荷的差異區分了粒子與其反物質對應物。）理論家認為馬約拉納粒子有一種無需涉及希格斯場即可獲得質量的方法——可能是透過與一個新的、尚未被發現的場相互作用。這種情景背後的數學也需要存在一組非常重的中微子，這些中微子尚未被發現；這些粒子的質量將是某些已知最重粒子的質量的一萬億倍，並且在某種意義上，將抵消輕中微子。對於粒子物理學家來說，發現新的質量尺度的前景是誘人的。“從歷史上看，我們總是透過在不同尺度上探索自然來取得進展，”德古維亞說。如果某個新的場賦予了中微子質量，也許它也會影響其他粒子。“如果大自然知道如何對中微子做到這一點，它還在哪裡這樣做呢？”洛克耶推測。“理論家正在問：暗物質可能是馬約拉納質量嗎？”

DUNE 不會直接測試中微子是否是馬約拉納粒子，但透過測量質量層級，它將幫助科學家解釋正在日本、歐洲、美國和其他地方進行的實驗結果。此外，DUNE 應該透過提供有關中微子在振盪過程中如何在質量組合之間切換的詳細資訊，幫助闡明中微子質量的起源。“我們希望做到最好的中微子振盪實驗，”德古維亞說，“因為這是我們知道我們將瞭解中微子質量的唯一地方。”

物質與反物質

探測這些微小粒子的奇異之處也可能有助於解決一個宇宙規模的謎團：為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的。

宇宙學家預測，兩者在大爆炸後應該以相等的量存在。不知何故，在大多數物質與大多數反物質湮滅之後（正如兩者在接觸時所做的那樣），還剩下少量的物質過剩。這些物質構成了我們今天看到的星系、恆星和行星。

為了解釋這種不對稱性，科學家們正在尋找一種與其反物質對應物行為不同的粒子，各種線索，包括在其他實驗中看到的暗示，都指向中微子。DUNE 將尋找所謂的 CP（電荷宇稱）破壞的跡象——換句話說，反中微子從一種風味振盪到另一種風味的速度與中微子不同的證據。例如，理論表明，DUNE 可能會看到反物質μ子中微子轉變為電子中微子的速度是物質中微子進行這種轉變速度的二分之一到兩倍之間——帕克稱這種差異“巨大”，並且可以解釋為什麼物質在那場最初的戰鬥中獲勝。（奇怪的是，即使中微子和反中微子最終被證明是同一種東西——換句話說，如果中微子是馬約拉納粒子——中微子的振盪方式仍然可能與反中微子不同。在這種情況下，區分中微子和反中微子的唯一因素將是它們的手性，這與它們的自旋方向有關。物質中微子是左手性的，其行為可能與反物質中微子（右手性的）不同。）

DUNE 還將能夠確定中微子是否只有三種風味，或者是否還有更多風味等待被發現，正如一些理論所推測的那樣。額外的中微子風味將是所謂的惰性中微子，因為它們根本不與正常物質相互作用。早期的實驗，包括洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器和費米實驗室的迷你助推器中微子實驗（MiniBooNE），看到了不確定的跡象表明有一種額外的中微子型別正在干擾振盪，這表明存在比普通三種更重的惰性中微子。研究人員希望 DUNE 能夠證實或排除這種可能性。“惰性中微子可能會在很大程度上改變我們在 DUNE 看到的振盪模式，”湯姆森說。

豪賭

為了解決所有這些難題，科學家們將 DUNE 設計為收集比以往所有中微子實驗更多的資料，並達到更高的精度水平。該專案將使用比現有最強高能中微子束強大約兩倍的中微子束，並將其射向比同類探測器大 100 多倍的探測器。

該實驗的核心將是在南達科他州利德市的桑福德地下研究設施中安裝的遠探測器。該機器將由四個探測器模組組成，每個模組都像奧運會游泳池一樣長，但深度是其六倍，並將填充 17,000 公噸液氬。當一箇中微子撞擊遠探測器或近探測器中的氬原子核時，它將根據其風味，變成電子、μ子或τ子。μ子將在液氬中沿直線傳播，在傳播過程中將電子從氬原子中踢出，留下探測器可以看到的電子軌跡。另一方面，如果中微子產生電子，該過程將產生一個光子，然後該光子將產生兩個電子，然後產生更多的光子，依此類推，形成新的粒子級聯。同樣，τ子中微子將產生τ子，但前提是初始中微子的能量足夠高；τ子比電子或μ子更重，需要更多的能量才能產生。CERN 的科學家於 2018 年開始測試 DUNE 遠探測器的微型版本，稱為 ProtoDUNE。“這些探測器，有點像太空任務，一旦你開啟它們，你就真的無法停止它們並將它們拆開來修理，”費米實驗室副主任約瑟夫·利肯說。“一旦你放入 17,000 噸液氬，就太難把它取出來了。”

為了取得成功，DUNE 必須克服政治和資金障礙，這些障礙之前曾扼殺過大型物理專案。2017 年 7 月，科學家和官員在桑福德設施舉行了破土動工儀式，標誌著大型挖掘工程的開始，該工程仍在進行中。當然，SSC 也進行了大量的挖掘工作，SSC 計劃比 LHC 還要大。SSC 很可能已經發現了希格斯玻色子，但它在 1993 年因成本超支和政治潮流的變化而被取消。“你可以回顧歷史，看看超導對撞機，天哪，那真是一個悲傷的故事，”洛克耶說。“DUNE 的國際性質是向前邁進的一大步。”擁有來自多個國家的承諾和資金應該有助於 DUNE 避免 SSC 的命運。“我會說這肯定會發生，”洛克耶說。然後他補充道：“但它有可能不發生嗎？是的。”