許多中微子物理學家覺得自己就像在迷宮中前行，不確定要往哪里走，也不知道哪條線索可能會把他們引入歧途 多年來，對中微子的測量結果相互矛盾使一些物理學家提出，宇宙中存在一個充斥著不可見粒子的“暗區”，可以同時解釋暗物質、宇宙膨脹和其他令人困惑的謎團。
1993年，在美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的地下深處，一輛公共汽車大小的油罐內出現了幾道亮光，由此開啟了一個引人入勝的探索故事。只不過，這個故事至今尚無定論。
當時，科學家正利用液體閃爍體中微子探測器(LSND)來尋找由中微子產生的輻射爆發。在所有已知的基本粒子中，中微子是最輕也最難以捉摸的。該實驗的領導者之一比爾·路易斯說：“我們看到了想要看到的結果，但這也讓我們十分驚訝。”
問題是，他們看到的實在太多了。理論物理學家假設，中微子在飛行過程中可能會在不同類型——稱為不同的“味”——之間振蕩。這一假設解釋了目前的許多天文觀測結果。LSND對該假設進行了檢驗，將一束μ中微子(已知三種中微子之一)對準油罐，計算到達油罐里的電中微子的數量。然而，路易斯的團隊檢測到的電中微子數量要比中微子振蕩理論所預測的多得多。
此后，研究人員又設計了數十個中微子實驗，每個實驗的規模都比上一個更大。在山脈內部、廢棄的采礦洞穴和南極的冰層之下，物理學家們為這些以神秘著稱的粒子建起了一座座宏偉的實驗設施。然而，當這些實驗從各個角度對中微子進行探測時，卻不斷得出相互矛盾的粒子行為圖像。“情況越來越復雜了，”路易斯說道。
“這是一個非常令人困惑的故事。我愿稱之為‘小徑分岔的花園’，”哈佛大學的中微子物理學家卡洛斯·阿奎勒斯-德爾加多說道。在阿根廷著名作家豪爾赫·路易斯·博爾赫斯 1941年的同名短篇小說中，時間分叉出了無限可能的未來。對于中微子，相互矛盾的結果讓理論物理學家感到困惑，他們不確定哪些數據值得信任，哪些數據可能會讓他們誤入歧途。阿奎勒斯-德爾加多說：“就像任何偵探小說一樣，有時你在看到線索后，它們會將你引向錯誤的方向。”
1993年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器報告了大量中微子的探測結果，這令人十分困惑。照片中，工程師里克·博爾頓身處光電倍增管之中，一旦罐體中裝滿礦物油，這些光電倍增管就能探測到罐內中微子相互作用發出的光 對LSND異常現象最簡單的解釋是，可能存在一種新的中微子，即第四種中微子——惰性中微子。根據新的規則，惰性中微子可以混合所有的中微子類型。它們會讓μ中微子在距離油罐較短的距離內更容易振蕩成電中微子。
然而，隨著時間的推移，研究人員發現惰性中微子的解釋與其他實驗的結果并不相符。“我們找到了一個冠軍理論，但問題是，它在其他地方慘遭失敗，”阿奎勒斯-德爾加多說，“我們走進了森林深處，現在需要走出來。”
物理學家被迫追溯之前的實驗結果;他們一直在反復思考，試圖了解混亂的暗示和不完整的結果背后是什么。近年來，他們設計出了比惰性中微子更為復雜的新理論，但如果這些理論是正確的，那物理學將徹底改變——同時解決中微子振蕩數據異常和其他物理學重大謎團。尤其重要的是，新模型假定額外的較重中微子可以解釋暗物質。目前，我們還沒有觀測到隱藏在星系之中的暗物質。據估計，暗物質在宇宙構成中所占的比例是常規物質的4倍以上。
近日，位于美國芝加哥附近的費米國家加速器實驗室公布了MicroBooNE實驗的4項分析結果。根據這些結果，再結合南極冰立方中微子天文臺(IceCube)的最新研究結果，科學家們認為，這些更復雜的中微子理論可能是正確的，雖然論證它們還需要很多努力。
阿奎勒斯-德爾加多表示，情況隱約已經有了變化，新的發現可能即將到來。
2002年時，物理學家珍妮特·康拉德(現任職于麻省理工學院)拿著一個MiniBooNE實驗中所用的探測器。她參與建造并領導了MiniBooNE實驗 絕望的補救
1930年，沃爾夫岡·泡利提出了中微子假說，用來解釋在放射性衰變過程中的能量消失。當時，他甚至將該假說稱為“絕望的補救”。這些假想粒子既沒有質量，也沒有電荷，這使泡利懷疑是否能用實驗來檢測到它們。“這是任何理論家都不應該做的事情，”泡利在日記中如此寫道。但在1956年，在一個與LSND類似的實驗中，中微子的存在得到了證實。
然而，當物理學家對來自太陽的中微子(太陽是這種粒子的自然來源之一)進行檢測，發現其數量不到恒星核反應理論模型預測的一半時，情況很快就陷入了混亂。到了20世紀90年代，中微子的古怪行為變得日益明顯。不僅太陽中微子看起來神秘地消失了，當宇宙射線與上層大氣碰撞時，落到地球上的中微子也消失了。
早些時候，意大利物理學家布魯諾·龐蒂科夫提出了一個解決方案，認為中微子能夠改變型態。與許多基本粒子一樣，中微子有三種類型：電中微子、μ中微子和τ中微子。因此，龐蒂科夫認為，中微子在移動過程中可能會在這些類型之間變換，而不是消失。例如，太陽產生的一些電中微子可能會變成μ中微子，看起來就像消失了一樣。隨著時間的推移，理論物理學家們開始著重描述中微子如何根據能量和傳播距離在不同類型之間的振蕩，從而與來自太陽和宇宙的數據相匹配。
然而，中微子型態變換的概念讓許多物理學家難以接受。只有當這三種中微子各自都是三種不同質量的量子力學混合物時，在數學上才能行得通;換句話說，型態變換意味著中微子必須具有質量。但粒子物理學的標準模型——描述已知基本粒子和力的方程組，已經得到許多驗證——明確地認為中微子沒有質量。
太陽和大氣都很復雜，因此LSND實驗特別選擇了另一個中微子源，來尋找中微子型態變換的更明確證據。研究人員很快取得了進展。“我們差不多每個星期都會發現一個可能的證據，”路易斯說道。1995年，《紐約時報》在頭版刊登了一篇報道，講述了該實驗如何搜尋發生型態變換的中微子。
LSND實驗的批評者指出，探測器可能會帶來誤差，自然界的中微子源也可能產生干擾。即使是那些支持中微子振蕩觀點的科學家，也不相信LSND的數據，因為推斷出來的振蕩速率超過了太陽中微子和大氣中微子所暗示的速率。太陽和大氣的數據表明，中微子只在三種已知的“味”之間振蕩;如果加上第四種中微子——惰性中微子——的話，就更符合LSND的數據。惰性中微子的得名，是因為它們不與引力以外的基本力發生相互作用，從而無法被檢測到。
在20世紀90年代末和21世紀初，一系列中微子振蕩實驗——薩德伯里中微子觀測站(SNO)、超級神岡探測器(Super-K)和KamLAND——的結果都支持三中微子振蕩模型，一些參與實驗的研究人員因此獲得了諾貝爾獎。另一方面，假想的第四種中微子依然覆蓋著一層神秘的面紗。
哈佛大學的中微子物理學家卡洛斯·阿奎勒斯-德爾加多設計了一些新的理論，試圖解釋錯綜復雜的中微子測量數據 追逐異常者
異常現象經常在實驗中突然出現，然后在進一步的研究中消失，因此許多研究人員一開始會忽略它們。不過，麻省理工學院的珍妮特·康拉德教授卻是一位“驕傲的追逐異常者”，十分重視各種異常的現象。她說：“我們并不介意混亂。事實上，我們很喜歡。”
當康拉德在1993年完成博士學位時，大多數粒子物理學家都在研究對撞機，試圖通過粒子的撞擊，在碎片中發現出新的粒子。一些美麗的、無所不包的理論，比如超對稱理論，預言了標準模型中所有的粒子都有一整套鏡像粒子;但對于微妙的中微子振蕩而言，情況卻截然不同。盡管如此，康拉德還是對LSND實驗的結果產生了興趣，并決定繼續研究下去。“我想要大自然和我對話;我不想告訴大自然該怎么做，”她說道。
20世紀90年代末，康拉德和同樣熱衷于異常現象的同事來到LSND探測器內部，小心翼翼地抽出超過1000個琥珀色傳感器，抹掉黏稠的油之后，將它們安裝在一個新的中微子探測器上。這個新探測器有三層樓高，位于費米實驗室，被他們“MiniBooNE”。“我們有瑜伽墊，可以讓你躺在腳手架上往上看，”康拉德說，“這就像一個由琥珀色月亮組成的宇宙。哇，真是太美了。”
這個LSND實驗增強版收集了從2002年到2019年的數據。經過長達五年的運行，MiniBooNE實驗開始觀察到類似的異常中微子振蕩率，表明LSND的結果并非偶然，而且可能存在一種超輕的中微子。
在MiniBooNE實驗進行的同時，其他中微子實驗也開始了。這些實驗各自探索了不同的中微子傳播距離和能量，以了解這是如何影響它們的形狀變化的。他們的結果似乎證實了三中微子模型，這不僅與LSND相矛盾，現在也與MiniBooNE相矛盾。
冰立方中微子探測器發現了穿過南極表面冰層的高能中微子。在圖中的地面實驗室中，科學家安裝了收集原始數據的計算機惰性中微子的“死亡”
追逐異常者已經來到了一個岔路口，而路標指向了相反的方向。支持存在三種中微子的證據超過了支持存在四種中微子的證據。緊接著，普朗克空間望遠鏡給了惰性中微子假說另一個打擊。
2013年，普朗克空間望遠鏡探測到了來自所謂宇宙微波背景的微弱輻射，為大爆炸后不久的宇宙拍下了一張令人難以置信的詳細照片。對宇宙微波背景輻射的詳細描繪使宇宙學家得以深入檢驗他們關于早期宇宙的理論。
在早期宇宙中，中微子非常活躍，因此強烈地影響著宇宙膨脹的速率。通過普朗克空間望遠鏡探測到的宇宙微波背景數據，研究人員推算出了宇宙的膨脹速率，進而估算出年輕宇宙中充斥的中微子有多少種類。數據顯示，當時的中微子有三種。歐洲核子研究中心(CERN)的理論物理學家約阿希姆·柯普表示，這一發現與其他宇宙學觀測結果“相當肯定地排除了第四種中微子的存在”——至少是排除了理論物理學家們曾考慮過的惰性中微子。
到2018年，所有人都認為這件事已成定局。在德國海德堡的一次中微子物理會議上，米歇爾·馬爾托尼站在一個宏偉的禮堂中宣布了惰性中微子的“死亡”。阿奎勒斯·德爾加多回憶道：“他說，‘如果你不知道一切都結束了，那你現在應該知道。’”
馬爾托尼的演講給中微子理論家們敲響了警鐘，他們需要一些新的想法。“前進的道路走不通了，”阿奎勒斯-德爾加多又說回了博爾赫斯的比喻，“那現在我們該該往哪里走呢?”
他和同行們開始重新審視惰性中微子理論的基礎假設。“在物理學中，我們總是會用到這樣的奧卡姆剃刀方法，對吧?我們從最簡單的假設開始，在這里就是一種新粒子，但除了振蕩行為之外什么都不做，”他說，“這可能是一個愚蠢的假設。”
暗區
過去三年中，中微子物理學家們正越來越多地考慮增加多個中微子的可能性，這些中微子可能通過它們自身的神秘力量相互作用。這個由不可見粒子組成的“暗區”(dark sector)可能有著復雜的相互關系，類似(但獨立于)電子、夸克和其他標準模型粒子的相互關系。加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的理論物理學家馬修斯·霍斯特說：“這片暗區非常豐富和復雜，這是完全有可能的。”
在模型中加入神秘的力可以抑制早期宇宙中產生的中微子數量，從而避免普朗克望遠鏡的觀測結果所提出的挑戰。與此同時，一個具有如此多特征的暗區，也可以填補我們理解中的許多漏洞。自從20世紀90年代發現中微子具有質量以來，理論物理學家們一直在想，中微子是否可以解釋暗物質——這種不可見的物質似乎充滿了各個星系。他們很快得出結論，三種已知的中微子都不具有足夠的質量，但如果存在一個更大的中微子家族——包括一些較重的中微子——那或許就能用來解釋暗物質。
一個無形但豐富的暗區?這樣的想法并不新鮮，但在這些模型中，中微子的種類數量卻變得越來越多。這項研究將暗物質和中微子異常的不同問題放到了同一個范疇之內。阿奎勒斯-德爾加多說：“這是一種趨同。”
一個豐富、復雜的暗區有助于解釋為什么今天的宇宙似乎膨脹得比預期的更快——這種現象被稱為“哈勃張力”——以及如果暗物質由單一的惰性粒子組成的話，為什么星系的聚集程度沒有預想的那么高。美國普林斯頓大學的天體物理學家克里斯蒂娜·克瑞施說：“改變暗物質的物理性質，的確會對這樣的宇宙張力產生影響。”
這些模型與舊的觀點產生了共鳴。例如，早在幾十年前就有人提出假設，認為存在一些非常重的中微子，可以解釋三種已知中微子的令人困惑的微小質量(在“蹺蹺板機制”中，已知的輕中微子和重中微子的質量可能呈反比關系)。大爆炸后重中微子的衰變被認為是今天宇宙中物質比反物質多得多的可能原因。“很多人，包括我自己在內，都在研究這種聯系，”約阿希姆·柯普說道。
今年早些時候，阿奎勒斯-德爾加多、康拉德和幾位合作者提出了一個暗區模型，包含了三種不同質量的重中微子。他們的研究結果很快就將發表在《物理評論D》(Physical Review D)上。該模型通過調和一種重中微子的衰變與一種輕中微子的振蕩，解釋了LSND和MiniBooNE的數據;與此同時，該模型也為解釋中微子質量的起源、宇宙中物質-反物質的不對稱，以及暗物質留下了空間。
追逐異常的研究者們在設計這個新模型時，考慮到了MiniBooNE實驗的一個缺陷：它無法區分電中微子產生的信號和某些粒子衰變所產生的信號。這就引出了一種可能性：除了輕中微子會在不同類型之間振蕩外，重中微子也可能在探測器的內部衰變，這就解釋了探測器為什么會獲得豐富的信號。
全新的實驗結果支持了這一模型。費米實驗室的MicroBooNE實驗是MiniBooNE實驗的后續，經過了重新配置以糾正缺陷。該實驗的結果即將發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，表明惰性中微子本身并不能解釋MiniBooNE的異常現象。實驗結果可能暗示著這樣一種可能性，即只有一半的MiniBooNE事件是由中微子振蕩引起的。MicroBooNE團隊最近的報告稱，我們熟悉的標準模型粒子的衰變幾乎肯定不能解釋剩余的事件。MicroBooNE實驗明年將開始下一個版本的實驗，屆時或許就能確定探測器內部暗區的重粒子衰變的可能性。
物理學家也在重新探索原先的道路，用現有數據檢查他們的暗區模型。例如，冰立方實驗團隊自2016年以來發表了一系列聲明——一次比一次有信心——宣稱沒有發現惰性中微子穿過冰層的跡象。冰立方是一個由5000個探測器組成的陣列，埋在南極冰層下數公里深處。不過，近期發布的一項分析發現，如果惰性中微子可以衰變為其他看不見的粒子，那么冰立方的數據實際上有利于它們的存在。該團隊的完整分析報告尚未發表，但研究人員強調，在獲得定論之前，有必要對這種可能性進行評估。
最后，綜合所有中微子振蕩實驗的分析也發現了支持惰性中微子衰變的證據。
大膽斷言存在大量隱形粒子需要大膽的證據，但并不是所有人都能被說服。德國慕尼黑大學的戈蘭·森揚諾維奇說：“我一直在賭所有異常現象都不會發生。”作為中微子質量蹺蹺板模型的提出者之一，森揚諾維奇表示，我們不應該假設越來越多的粒子來解釋實驗中的意外結果，“最首要的”應當是以現有理論為指導，在高度成功的標準模型之外只做最小的改動。
但在“小徑分岔的花園”中，追求極簡主義和簡潔性的假設往往是錯誤的。標準模型預測電中微子、μ中微子和τ中微子是無質量的，但后來的研究表明它們并不是。理論物理學家曾經認為，如果這些中微子具有質量，那它們一定有足夠的質量來解釋暗物質——但結果也是否定的。也許我們需要對標準模型進行更精細的擴展。康拉德等物理學家也強調，從異常現象中尋找線索能帶來好處。
走出迷宮
現在的挑戰是如何進入假想中的暗區。泡利曾感嘆，提出不可探測的粒子是任何理論物理學家都不應該做的事情;但幸運的是，物理學家們或許能夠通過三種熟悉的中微子“聽到”黑暗世界的低語。“中微子本質上就是一種暗粒子，”美國紐約大學的粒子物理學家尼爾·韋納說，“它有能力與其他暗粒子相互作用并混合，而在標準模型中，沒有其他粒子能做到這一點。”
即將開始的新型中微子實驗可能會打開通往暗區的大門。在MicroBooNE之后，費米實驗室的SBND和ICARUS實驗將很快啟動，并在多個距離和能量上探測中微子振蕩，幫助科學家更清晰地了解這些振蕩的完整模式。與此同時，費米實驗室的DUNE實驗將具有更高的靈敏度，可能會探測到較重的暗區粒子。康拉德表示，在“靜止衰變”實驗中，仔細觀察中微子從放射源(如鋰-8)噴涌而出的過程，將為解釋目前混亂的結果提供另一種觀點。
冰立方中微子探測器也提供了一個不同尋常的有利位置。該實驗能夠探測到宇宙射線與地球大氣層碰撞時產生的高能中微子。這些中微子可能會與冰立方內部的粒子相互作用發生散射，并變形為奇異的、質量較大的中微子——研究者懷疑這些中微子會在MiniBooNE內部衰變。馬修斯·霍斯特表示，如果冰立方在一段距離之外看到了這種散射和重中微子衰變，這種“雙重重擊”的特征“將是一種新粒子存在的非常有力的證據”。
這些可能性使得暗區“不僅僅是一個睡前故事，”韋納說道。然而，即使暗區存在，并且以常見的中微子作為媒介，也不能保證它們的聯系足夠強，能夠揭示隱藏的東西。美國密歇根大學的物理學家喬希·斯皮茨說：“任何合理的實驗都可能完全無法獲得重中微子。”
當然，從LSND開始出現的每一次中微子異常都可能有平凡無奇的解釋。“也許所有這些異常都出錯了，也許只是非常不走運，它們看起來都彼此相關，”康拉德說，“那將是大自然極為殘忍的表現。”
至于阿奎勒斯-德爾加多，他對最終走出迷宮持樂觀態度。“科學是分階段進行的，然后可能突然就中斷了，”他說，“我在積累線索并繼續追問。有些信息比其他信息更可靠;你必須自己判斷。”
