最近在費米國家加速器實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory)進行研究的科學家宣佈了一項真正令人困惑的測量結果。它涉及一種叫做中微子的亞原子粒子，它是微宇宙的幽靈，能夠在沒有相互作用的情況下穿過地球，在開始討論這些奇怪的東西之前。這項由科學家們共同完成的最新測量，可能預示著一種新的中微子的發現，這種中微子可能是暗物質的來源——這是現代天文學中最緊迫的難題之一。但要理解中微子是如何結合在一起的，需要知道中微子的歷史，這是一個有曲折的迷人故事，會讓阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christie)的頭旋轉。
奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利在1930年首次提出中微子的存在。我們現在知道，中微子只通過所謂的“弱力”進行相互作用，弱力是在比原子小的距離上產生任何影響的力中最弱的一種。中微子是在核反應和粒子加速器中產生的。1956年，由美國人克萊德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德裡克·雷恩斯(Frederick Reines)領導的一個物理學家團隊首次觀測到了這些幽靈般的粒子。對於他們的發現，Reines分享了1995年的諾貝爾物理學獎(考恩在頒獎前去世)。在過去的幾十年裡，很明顯，有三種不同的中微子，現在被稱為味道。每種中微子的味道都是不同的，就像你童年時的香草、草莓和巧克力那不勒斯冰激凌一樣。中微子的實際味道來自於它們與其他亞原子粒子的聯繫。
有電子中微子、介子中微子和tau中微子，它們分別與電子、介子和tau有關。電子是我們所熟悉的來自原子內部的粒子，而介子和介子是電子的笨拙和不穩定的近親。中微子的每一種味道都是不同的，兩者(在這個例子中是三個)永遠不會相遇。在20世紀60年代和70年代，出現了一個謎團……一箇中微子之謎。美國研究人員雷蒙德·戴維斯和約翰·巴考爾試圖計算和測量在太陽這個最大的核反應堆中產生的中微子(特別是電子中微子)的速率。當對預測和測量結果進行比較時他們不同意。實驗人員戴維斯發現電子中微子的數量只有理論學家巴赫預測的三分之一。那個特別的實驗令人瞠目結舌。戴維斯使用了一個奧運游泳池大小的容器，裡面裝滿了標準的乾洗液，用來檢測中微子。
當時的想法是，當來自太陽的中微子擊中乾洗液中的氯原子時，這些原子就會變成氬。戴維斯會等上幾個星期，然後試著提取氬氣。他想要10個氬原子，但他只找到了3個，是的，你沒看錯，只有三個原子。除了實驗上的困難之外，Bahcall所做的計算對太陽的核心溫度是具有挑戰性和極度敏感的。太陽溫度的微小變化改變了對應該產生的中微子數量的預測。其他的實驗證實了Bahcall和Davis觀察到的差異，但是考慮到他們嘗試做的困難，我很確定他們中的一個犯了錯誤。計算和測量都很難做到，但我錯了。另一個矛盾困惑，當來自外太空的宇宙射線撞擊到我們所呼吸的空氣中時，中微子就產生在地球的大氣層中。
科學家們非常確信，當這種情況發生時，介子和電子中微子以2比1的比例產生。然而當測量這些中微子時，發現介子和電子中微子的比例是1比1。然而中微子再次迷惑了物理學家。神秘的中微子來自太陽和宇宙射線從太空解決了1998年,當日本的研究人員使用一個巨大的地下水箱50000噸水研究比μ介子和電子中微子在大氣中創建12英里以上,同比比創造了地球上的另一邊,約8000英里遠。通過採用這種巧妙的方法，他們發現中微子在行進過程中改變了它們的身份。例如在大衛-巴霍謎題中，來自太陽的電子中微子正在轉變成另外兩種類型。
這種中微子改變味道的現象，就像香草變成草莓或巧克力一樣，叫做中微子振盪。這是因為中微子不僅改變了它們的特性而且停止了。相反如果給它們足夠的時間，三種中微子不斷地交換它們的身份。2001年在安大略省薩德伯裡進行的實驗進一步證實了中微子振盪的解釋。如果你覺得這個故事令人眼花繚亂，那我們就開始吧。多年來中微子在掃過的一週中產生了比肥皂劇更多的驚喜。隨著中微子振盪現象的建立，科學家們可以利用粒子加速器對其進行研究。可以製造中微子束，並描述它們從一種味道變化到另一種味道的速度。事實上有一個完整的中微子振盪行業，全球各地的加速器都在研究這一現象。中微子研究的旗艦實驗室是我自己的費米實驗室。
第四種
2001年洛斯阿拉莫斯實驗室(Los Alamos laboratory)開展了一項名為LSND(液體閃爍器中微子探測器)的研究。他們的測量不符合三種不同口味的中微子。為了讓他們的結果有意義，他們需要假設第四種中微子。這不是一種普通的中微子。它被稱為“惰性中微子”，也就是說與普通的中微子不同，它沒有感覺到弱力。但它確實參與了中微子振盪…中微子味道的變形。它可能很重，這意味著它是暗物質的理想候選者。這是一個很酷的觀察，但是很多其他的中微子實驗都不同意。事實上，LSND的結果是一個異常值——非常奇怪，以至於它通常不用於中微子物理的元分析。
現在我們來看看費米實驗室的MiniBooNE實驗的最新測量結果。這個名字來自“加速中微子實驗”。它使用費米實驗室的一種加速器——助推器——製造中微子。“迷你”來自於一個事實，當它被建造時，一個更大的後續實驗被設想。MiniBooNE的科學家們發現，他們的數據實際上支持LSND的測量，而且，如果他們將他們的數據與LSND的數據結合起來，那麼測量的統計強度就足夠強大，足以宣稱發現……可能是無菌中微子。但是，還有一個事實是，許多其他的實驗與LSND(現在是MiniBooNE)實驗完全不同。這是怎麼回事?這是個好問題。LSND和MiniBooNE的研究人員可能只是發現了其他實驗沒有發現的東西。或者是LSND和MiniBooNE都做了一個錯誤的發現。也可能是這兩種特殊的實驗裝置在其他方面都很敏感。
一個重要的參數是，中微子產生的地點和被探測到的地點之間的距離相對較短——只有幾百米，或者有幾個足球場的長度。中微子需要時間來振盪，如果它們在運動，這就轉化為距離。許多中微子振盪的實驗都有位於幾百英里以外的探測器。也許重要的振盪發生得很快，所以關閉檢測器是至關重要的。讓問題更復雜的是，LSND和MiniBooNE的合作，雖然相隔了十多年，但涉及的是同一個人。因此仍有可能重複同樣的錯誤，或者表現出同樣的才華，很難確定。那麼，我們如何解決這個問題呢?我們如何發現誰是對的?這就是科學，在科學中，測量和複製贏得了爭論。
這是個好消息。既然費米實驗室選擇了發展其研究中微子的能力，而不是一種，而是三種不同的中微子實驗正在進行或正在建設中，中微子的產生和探測點之間的距離很短。一種被稱為微boone (MiniBooNE的一個小版本，使用不同的技術)，另一種是ICARUS(成像宇宙和罕見的地下信號)，第三種是SBN(短基線中微子)。所有這些實驗在技術能力上都遠優於MiniBooNE和LSND，因此研究人員希望在幾年的時間裡，他們能就惰性中微子的問題發表決定性的聲明。
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