在宇宙中所有的基本粒子中，中微子可能是最奇怪的。這些神秘的微小能量包有時被稱為“幽靈粒子”，它們不帶電荷，幾乎沒有質量，並且至少有三種不同的型別。新的研究正在使科學比以往任何時候都更接近理解中微子的本質，從它們的大小到它們的基本屬性。
中微子非常微小，令人難以置信。德國卡爾斯魯厄理工學院的天體粒子研究員卡特琳·瓦萊裡烏斯說，它們每個的質量都小於0.8電子伏特，比“第二輕的粒子，即電子，輕數十萬倍”。
它們也無處不在。每秒有數萬億個中微子穿過你的身體，主要來自太陽。但是，由於它們體積小且不帶電荷，它們很少與你的組織或任何其他物質相互作用。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的實驗粒子物理學家索夫賈尼亞·戈拉皮尼說：“在你的一生中，如果有一箇中微子與你相互作用，那你就算幸運的了。”
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儘管理論物理學家們已經意識到中微子的存在將近一個世紀了，但他們對中微子的瞭解仍然非常少。1930年，著名物理學家沃爾夫岡·泡利正在研究一個看似不可能的難題。在多次實驗中，泡利的同代人注意到在觀察β衰變（某些放射性原子分解的過程）時，出現了一個會計錯誤。衰變原子的能量似乎有一小部分消失了，而不是以電子的形式發射出來。
這一觀察結果打破了熱力學第一定律，該定律指出能量既不能被創造也不能被摧毀。因此，泡利提出了他所描述的“孤注一擲的補救辦法”：一種新型的、小的、不帶電荷的基本粒子，它與電子一起發射出來，並解釋了缺失的能量。中微子的概念由此誕生。
泡利的“中性粒子”最終在1956年的一項實驗中得到證實，該實驗證明了它的存在，但沒有證明它的大小。理論預測中微子將完全沒有質量。
但在2015年，東京大學的梶田隆章和安大略省女王大學的阿瑟·麥克唐納因研究證明粒子實際上確實有質量而獲得了諾貝爾物理學獎，儘管該研究沒有揭示質量有多大。在2000年代中期，德國的美因茨中微子質量實驗將中微子質量的上限設定為2.3電子伏特。在2022年初，來自德國卡爾斯魯厄氚中微子實驗（KATRIN）的資料。
如此精確的測量需要非常靈敏且非常龐大的裝置。KATRIN的200公噸光譜儀和70米長的超高真空管能夠達到低至-270.15攝氏度和高達250攝氏度的溫度，使研究人員能夠探測到數十億個粒子。極低的溫度使對熱高度敏感的超導磁體保持足夠冷的溫度，以產生強大的磁場，從而使探測器能夠捕獲單個粒子。當實驗需要清潔時，會切換到高溫。參與該專案的瓦萊裡烏斯將其描述為“一個大披薩烤箱”。
然而，即使是這種裝置也無法直接探測到難以捉摸的幽靈粒子。相反，光譜儀測量的是放射性氫衰變時與中微子一起釋放的電子的能量。這些電子的最大能量已被充分記錄。一旦科學家記錄下這項實驗的總能量，就只需減去電子的能量：剩下的任何東西都屬於中微子。
研究人員目前正在開發新的實驗，以進一步加深我們對中微子的理解。其中一個實驗被稱為深度地下中微子實驗，或DUNE，旨在理解中微子的另一個神秘特性：它們如何振盪，或改變型別。
中微子有三種“味”：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。但是這些身份不是固定的。DUNE合作組織的成員戈拉皮尼解釋說：“如果一箇中微子以某種味誕生，那麼當它傳播時，它可以變形為其他味。這就像改變你的身份。”例如，一些來自太陽的電子中微子在到達地球時會變成μ子和τ子中微子。為了理解這種變化發生的原因和方式，DUNE將觀察一束中微子，當它在地下傳播約800英里時，從中微子實驗的總部——位於伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室，到南達科他州的桑福德地下研究實驗室。
研究人員希望，諸如此類的實驗將有助於逐步解決其他重大的宇宙學問題，例如暗物質的本質（暗物質可能只是第四種尚未被探測到的中微子味，稱為“惰性中微子”），黑洞是如何形成的，甚至物質本身的起源。“KATRIN合作組織做得非常出色，”英國謝菲爾德大學的粒子物理學家安東尼·埃澤裡貝說，他也是DUNE的成員，但“仍有工作要做。”
瓦萊裡烏斯對此表示贊同。和許多中微子科學家一樣，她對這種微小粒子所蘊含的巨大研究潛力感到興奮。“我們對中微子的理解，或者說缺乏理解，是不完整的，”她說。“我們甚至還不知道我們不知道什麼。”