區別所有其他粒子的“中微子”可能會出現在實驗中——甚至有助於解開暗物質之謎
克拉拉·莫斯科維茨
中微子相互作用時產生的光信號，在微型探測器內部鑲嵌有光電探測器。費米實驗室/洛斯阿拉莫斯
物理學家捕捉到了一種叫做中微子伊利諾伊州的一項實驗表現不佳，暗示存在額外的中微子種類。如果得到證實，這一發現將是革命性的，在物理學詞彙中引入新的基本粒子，甚至可能有助於解釋暗物質的奧秘。
由於沒有人同意觀測的實際意義，本週在德國召開的中微子會議上聚集的專家們已經興奮地討論了這些和其他深遠的影響。
中微子首先令人困惑。這些微小的粒子形成於宇宙的最初時刻，如今在恆星和核反應堆的核心，幾乎以光速傳播，幾乎不與任何其他東西相互作用；每天有數十億個無害的中微子穿過你的身體，一個典型的中微子可以毫髮無損地穿過一層一光年厚的鉛。中微子自20世紀中葉被發現以來，人們曾預言中微子的重量為零，但20世紀90年代的實驗顯示，中微子的確有一些質量——儘管物理學家還不知道到底有多少。更奇怪的是，它們有三種已知的種類或狀態——電子中微子、μ子中微子和τ中微子——而且最奇怪的是，它們可以從一種味道變成另一種味道。由於這些奇怪的現象和其他原因，許多物理學家一直在押注中微子為物理學的下一個前沿打開大門。
現在有人認為門已經半開了。這項發現來自伊利諾伊州巴塔維亞費米國家加速器實驗室的微型助推器中微子實驗( miboone )收集的15年的數據。中微子在裝滿800噸純礦物油的大桶中撞擊原子核時，偶爾會產生閃光，這是中微子的探測和特徵。它的設計類似於早期的一個項目，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器( LSND )。20世紀90年代，LSND觀察到一個奇怪的異常現象，一束以μ子中微子開始的粒子中的電子中微子數量超過預期；在費米實驗室的粒子加速器產生的中微子束中，迷你布恩現在也看到了同樣的情況。
由於μ子中微子不可能在短距離的LSND實驗中直接轉變成電子味，當時的理論家提出，一些粒子振盪成第四種——中微子——然後轉變成電子中微子，產生神秘的過剩。儘管這種可能性很誘人，但許多物理學家認為這一發現是僥倖，是由LSND特有的一些世俗錯誤造成的。但現在，迷你布恩觀察到了同樣的模式，科學家們不得不考慮這一現象潛在的更深層原因。Los Alamos的miboone聯合發言人理查德·範·德·沃特說:“現在你必須真的說，你有兩個實驗看到了相同的物理效果，所以一定有一些基本的東西在進行。”。“人們不能再忽視這一點了。"
小巴研究小組於五月三十日向預印服務器arXiv，並將於本週在第二十八屆中微子物理和天體物理國際會議德國海德堡。
第四種形態
中微子是一個令人興奮的前景，但外部專家說，現在斷定這種粒子是觀測結果的幕後黑手還為時尚早。“如果它是中微子，那將是革命性的，”馬克·湯姆森說，他是一名中微子物理學家，也是英國科學技術設施委員會的首席執行官，並不參與這項研究。“但那是一個很大的‘如果’。"
因為除了重力之外，粒子不會感受到任何自然力，這將有效地阻斷與粒子世界其他部分的交流。儘管如此，它們仍然有質量，這可能使它們成為神秘的“暗物質”的吸引人的解釋，這種神秘的“暗物質”似乎為星系和星系團提供了額外的質量。範·德·沃特說:“如果說有一個無菌中微子，那不僅僅是一些額外的粒子懸在那裡，還有可能是宇宙‘暗區’的信使。”。“這就是為什麼這真的很令人興奮。“然而，可能出現在迷你庫恩的中微子似乎太輕，無法解釋暗物質本身——相反，它們可能是一整組各種質量的無菌中微子的第一個先鋒。“一旦有一個[無菌中微子”，這就引出了一個問題:有多少個？加州大學歐文分校的理論物理學家凱福·阿巴扎健說。“它們可能參與振盪，成為暗物質。"
然而，這一發現很難解釋，因為如果中微子在微子中轉變成無菌中微子，那麼科學家們不僅要測量額外電子中微子的出現，還要測量它們開始時的μ子中微子的相應消失，就像等式的兩邊一樣平衡。但是迷你布恩和其他實驗並沒有看到這樣的消失。費米實驗室的理論物理學家安德烈·德·古維亞說:“這是一個問題，但不是一個大問題。”。“這不是反駁中微子假說的有力證據，原因是[探測]消失非常困難。你必須確切知道你一開始有多少錢，這是一個挑戰。"
又一個謎？
或者也許小巴尼發現了一些大的中微子。也許宇宙的另一個新的方面是實驗光束中粒子的意外模式的原因。“現在人們正在考慮是否有其他新的現象可以解決這種含糊不清的問題，”德·古維亞說。“也許中微子有一些我們沒有想到的新力量，或者中微子以某種有趣的方式衰變。感覺我們還沒有達到正確的假設。"
不同尋常的是，這是一個神秘的物理學家不必等太久就能解決的問題。費米實驗室的另一項名為“MicroBooNE”的實驗旨在跟蹤MicroBooNE，並將能夠更密切地研究多餘的部分。miboone的一個缺點是它不能確定它所看到的光的閃光是否真的來自中微子——有可能一些未知的過程正在產生模仿中微子信號的過量光子。今年晚些時候將發佈第一批數據的MicroBooNE能夠區分中微子信號和冒名頂替者。如果信號證明是多餘的普通光子，而不是電子中微子，那麼所有的賭注都是關閉的。德古維亞說:「我們不知道從物理學的角度來說，會有什麼結果，但如果是光子造成的，我們知道這種中微子解釋是不正確的。」
除了微型衛星，費米實驗室還在建造另外兩個探測器，以安置在同一束中微子上，並協同工作研究那裡的中微子振盪。費米實驗室中微子部門負責人史蒂夫·布萊斯說，新系統被統稱為短基線中微子計劃，它應該在2020年前投入運行，並能在這十年的早期提供確定的數據。
在此之前，物理學家將繼續討論中微子的奧秘——這個領域的規模和興奮程度每年都在增長。例如，現在在海德堡舉行的會議是有史以來規模最大的中微子會議。“在過去十年裡，這是一個穩定的增長，”Brice說。“這是一個很難研究的領域，但事實證明這是一個非常富有成果的物理領域。"
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