它們很小，幾乎無法察覺，現在每時每刻都有 500 萬億個穿過你的身體。中微子是大自然最豐富但也最神秘的造物之一。科學作家詹姆斯·里爾頓最近著手列出關於中微子的已知和未知資訊，他發現第二列更長。“對我來說，最有趣的是我們對它們知之甚少，”他說。“這些粒子確實存在，而且確實很神秘。令人興奮的科學就在於回答這些問題。”
在新的著作《幽靈粒子：探索難以捉摸的神秘中微子》（麻省理工學院出版社，2023 年）中，里爾頓和他的合著者，物理學家艾倫·喬多斯記錄了這些令人驚訝的粒子是如何首次被提出和發現的，以及科學家們迄今為止弄清楚了什麼——以及他們希望最終了解的一切。由於中微子的諸多怪異之處，它們似乎是回答我們一些最大問題的有希望的途徑：為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的？什麼是暗物質？有什麼東西可以比光速更快地傳播嗎？
《大眾科學》與里爾頓談論了為什麼這些奇異的自然組成部分如此酷，以及他自己的家族史如何融入中微子的故事。
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所以你實際上與中微子有個人聯絡。那是什麼？
我是中微子的共同發現者之一，小克萊德·考恩的孫子。但他去世時我才九歲。我的家人一直流傳著關於他的神話，但不太清楚他做了什麼。直到我去大學學習物理學才明白。當我成為一名科學作家並開始看到這些有趣的中微子結果出現時，我的興趣才變得更加濃厚。
我與麻省理工學院出版社談了寫書的事，他們很感興趣，但他們希望確保有一位該領域的專家與我一起寫作。我想到了艾倫·喬多斯，一位跳出框框思考的理論家。他寫了一些關於中微子的有趣的推測，這些推測有點前沿。
在中微子提出的無數問題中，哪個最讓你感興趣？
我最喜歡的謎團是確定它是否是自身的反粒子。對我來說，我認為這是關於中微子的最大、最引人注目的問題。這個問題觸及了宇宙起源這個真正宏大的問題。
如果中微子真的被證明是自身的反粒子，它可能使我們能夠理解為什麼宇宙主要由物質而不是反物質構成。我們知道，當宇宙最初開始時，它必定是物質和反物質的完美平衡。如果宇宙中所有的物質和反物質都湮滅了，就不會剩下任何物質。因此，一定在某個地方出現了不平衡，而中微子可能是這種不平衡來源的線索。
你寫道，“中微子的想法非常糟糕，用第一個想象它的人的話來說。” 沃爾夫岡·泡利在 1930 年提出了中微子，以解釋為什麼在某種型別的粒子衰變中似乎缺少能量和動量。為什麼中微子解決方案如此糟糕？
這幾乎就像是障眼法。他們在β衰變中遇到了問題，這種核反應似乎缺少了某些東西。因此，坐下來說，“缺少什麼？讓我們把所有缺少的東西都拼湊起來，組成一個新的粒子”來回答這個問題，感覺就像一個“只是那樣”的故事——就像“豹子是怎麼長出斑點的？嗯，是某個古老的神向它扔了泥。” 當然，這是一個答案。但你無法驗證它。它解決了你的問題，但令人不滿意。
泡利認為他無法驗證答案，因為他和其它物理學家認為中微子是完全無法探測的。然而，我們現在已經看到了三種不同型別的中微子。而且有可能存在更多型別嗎？
在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯[國家實驗室]，他們發現其中一項實驗中出現的中微子太多了。一種解釋可能是存在另一種型別的中微子，它只與其它中微子以及某種暗物質相互作用。這些被稱為惰性中微子。有理由相信可能存在多種型別的中微子，但這只是一種可能性。
人們預計洛斯阿拉莫斯異常現象會消失。他們在伊利諾伊州[費米國家加速器實驗室]的其它機器上進行了測試。我記得與洛斯阿拉莫斯最先發現似乎暗示存在惰性中微子的人們交談，他們都預計[後續測試]絕對不會出現惰性中微子的跡象。但結果卻證實了他們最初的實驗，該實驗表明存在惰性中微子。這令人震驚地證實了幾乎所有人認為只是測量錯誤的事情。問題仍然很明顯地存在，並且有理由相信雙方：存在某種系統性錯誤，兩者都受其影響，或者問題仍然存在。希望這個問題很快就會得到解答。
另一個大謎團是中微子的實際重量是多少。起初，它們被預測為無質量，但現在科學家們知道它們必須具有非零質量。我們在弄清楚質量是多少方面進展到哪一步了？
與艾倫談論真正有趣的事情之一是，KATRIN [一項旨在測量中微子質量的德國實驗] 並沒有說中微子具有小的正質量。它說它們具有小的質量，該質量可能是正質量平方或負質量平方。這意味著根據他們進行實驗的方式，它們可能具有虛質量，這將使它們成為“快子中微子”。這將使它們有可能比光速更快地傳播，或者可能在時間上倒流，這取決於你如何看待它。
當然，KATRIN 的人們不相信這是一種可能性，所以他們只是把它拋棄了。但是，在像艾倫這樣的人的心中，仍然存在一絲希望，即答案實際上可能是負數，即使他們只是為了確保他們的統計資料不會搞砸而將其包括在內。
如果中微子可以比光速更快地傳播，我們不是早就知道了嗎？
的確會存在各種各樣的問題。我與[物理學家]謝爾頓·格拉肖談過，並向他詢問了這個問題。他指出，如果中微子可以比光速更快地傳播，就會導致巨大的輻射爆發，它們的速度會迅速減慢。因此，即使它們可以短暫地比光速更快地傳播，它們也會立即不再比光速更快地傳播。我傾向於相信謝爾頓·格拉肖的回答。艾倫抱有希望，因為他是一位理論家，他們喜歡相信奇怪的東西。即使是艾倫，也沒有人真的期望看到這種情況。
在做了所有這些研究並寫了這本書之後，它是否改變了你對祖父的看法？
是的。我發現他和弗雷德里克·萊因斯[他在中微子發現實驗中的合作者]所做的事情中蘊含著大量的幽默。他們大膽地將一個小小的玩笑編碼到一項巨大的科學實驗的設計中。
他們尋找中微子的最初想法是利用在洛斯阿拉莫斯曼哈頓計劃期間進行的核武器試驗，對吧？
如果你看看最初的提案，它本身就很膽大妄為，他們打算將探測器放入一個豎井中，並在核武器在約 40 米外爆炸的同時將其放下。這是一個極其複雜的系統，需要開發。他們必須決定在哪裡挖掘豎井。他們選擇將其放置在距離武器爆炸塔 137 英尺的地方。他們之所以選擇這個距離，是因為精細結構常數[與電磁力強度相關的基本常數]是 1 ⁄ 137。但他們知道，在提交給洛斯阿拉莫斯批准的實驗描述中，這樣做有點輕率，因此他們找到了公制等效值，約為 40 米。他們將其變成了一個內部笑話。
然後，當他們在南卡羅來納州進行實際發現中微子的實驗時，他們豎起了所有的遮蔽裝置，以檢視他們是否可以調節訊號，並 साथ ही 一磅玉米粉。我想象我的祖父是一個有趣的人，這個形象變得更加豐滿。你可以看到這種幽默感和這種樂趣貫穿了他們正在進行的這項非常嚴肅的活動。