1930 年在德國，一群科學(xué)家召開了一次核物理會(huì)議，他們邀請了沃爾夫?qū)?middot;泡利 (Wolfgang Pauli)。這位奧地利物理學(xué)家被稱為保利不相容原理的創(chuàng)始人，這項(xiàng)工作促進(jìn)了科學(xué)家對(duì)物質(zhì)的理解，最終使保利獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
泡利不能參加德國會(huì)議;他在蘇黎世發(fā)生了沖突。相反，他給與會(huì)者發(fā)了一封信，后來證明這是物理學(xué)史上最重要的通信之一。在其中，他預(yù)測了最終被稱為中微子的存在。
此后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并研究了理論粒子的特性。但仍然存在很大的問題，包括一種未被發(fā)現(xiàn)的中微子是否可能隱藏在研究人員的探測器中。
在給與會(huì)者的信中，泡利詳細(xì)介紹了他對(duì)β衰變的想法，這個(gè)過程一直困擾著核物理學(xué)家。
在β衰變中，不穩(wěn)定的原子以粒子(稱為β粒子)的形式釋放能量。研究β衰變的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，β粒子的能量不足以解釋衰變原子損失的總能量。
泡利對(duì)缺失的能量可能在哪里有一個(gè)想法。他假設(shè)一個(gè)經(jīng)歷 β 衰變的原子實(shí)際上發(fā)射了不止一個(gè)粒子。只是第二個(gè)粒子既沒有電荷也沒有質(zhì)量，因此無法被當(dāng)時(shí)的技術(shù)檢測到。
不過，這就是問題所在。如果粒子無法被探測到，就沒有辦法檢驗(yàn)泡利的理論是否正確。泡利感嘆，提出一個(gè)不可檢測的粒子的存在是“任何理論家都不應(yīng)該做的事情”，并保持這封信的非正式，而不是寫一篇關(guān)于他太不舒服而無法完全聲明的想法的官方論文。
但是攜帶能量的“幽靈粒子”的想法引起了包括恩里科·費(fèi)米在內(nèi)的許多研究人員的共鳴。幾年后，費(fèi)米想出了一個(gè)包含新粒子的核β衰變的完整理論，他將其命名為“中微子”。費(fèi)米推測，中微子通過一種未知的力相互作用，現(xiàn)在稱為弱力，它只在極短的距離內(nèi)相互作用。
并非所有科學(xué)家都像泡利一樣對(duì)檢測中微子持悲觀態(tài)度。物理學(xué)家沃爾特·巴德甚至與泡利打賭，他的不可發(fā)現(xiàn)的粒子總有一天會(huì)被發(fā)現(xiàn)。
1950 年代，美國能源部洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家 Clyde Cowan 和 Fred Reines 設(shè)計(jì)了一種探測器來捕捉中微子。它將檢測通過弱力并偶爾通過弱力相互作用的粒子。為了確保他們能獲得一些，他們計(jì)劃在他們可能產(chǎn)生的最極端的不穩(wěn)定原子集合附近設(shè)置他們的設(shè)備：核爆炸。
除了研究核爆炸所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)外，事實(shí)證明，核彈還會(huì)產(chǎn)生大量背景輻射，這使得從中微子中分離出信號(hào)變得困難。所以考恩和雷因斯改變了他們的計(jì)劃。相反，他們在南卡羅來納州的一個(gè)核反應(yīng)堆旁邊設(shè)置了探測器。
雖然反應(yīng)堆產(chǎn)生中微子的速度比炸彈慢得多，但探測器最終接收到足夠的信號(hào)來確認(rèn)中微子的存在。泡利給巴德買了一箱香檳來慶祝這一發(fā)現(xiàn)。
不僅僅是眼睛看到的
科學(xué)家們已經(jīng)探測到了無法探測到的粒子。但是關(guān)于它還有很多東西需要學(xué)習(xí)。
在 1960 年代，天體物理學(xué)家 Raymond Davis 和 John Bahcall 通過安裝在南達(dá)科他州 Homestake 金礦的實(shí)驗(yàn)測量了來自太陽的中微子。他們檢測到的粒子數(shù)量只有他們預(yù)期的三分之一。
在 90 年代，加拿大薩德伯里中微子天文臺(tái)和日本的 Super-K 實(shí)驗(yàn)的研究人員確定了中微子丟失的原因。中微子可以“振蕩”，或在三種不同類型或“味道”之間轉(zhuǎn)換：電子中微子、μ 子中微子和 tau 中微子。振蕩意味著質(zhì)量，所以這一發(fā)現(xiàn)也讓他們知道中微子并不像他們想象的那樣沒有質(zhì)量。
科學(xué)家們已經(jīng)研究出關(guān)于中微子應(yīng)該如何振蕩的理論，但這些理論在洛斯阿拉莫斯的一項(xiàng)名為液體閃爍體中微子探測器的實(shí)驗(yàn)中得到了檢驗(yàn)。
LSND 研究了一束中微子——特別是介子反中微子——以了解其中有多少在短距離內(nèi)振蕩成不同類型。其結(jié)果表明，其中有比預(yù)期更多的轉(zhuǎn)化為電子反中微子。
科學(xué)家想知道：這種增加的振蕩次數(shù)是否表明存在更難以捉摸的幽靈粒子的影響?一個(gè)甚至沒有通過弱力相互作用的?是時(shí)候再賭一箱香檳了嗎?
2002 年，以恩里科·費(fèi)米命名的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。MiniBooNE 實(shí)驗(yàn)在不同的能量水平上運(yùn)行，并使用了與 LSND 不同的實(shí)驗(yàn)方法;它也記錄了過量的電子中微子。
如果中微子以奇怪的方式振蕩——比如，以三種以上的形式振蕩，結(jié)果可能是可以解釋的。因?yàn)樗c物質(zhì)的相互作用甚至更弱，科學(xué)家們將假設(shè)中缺失的中微子味道稱為“無菌”中微子。
哈佛物理學(xué)家 Carlos Argüelles-Delgado 說，不一定只有一種類型的惰性中微子。例如，在物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，許多粒子和現(xiàn)象以三個(gè)為一組;也許無菌中微子也可以。
Argüelles-Delgado 致力于 IceCube 實(shí)驗(yàn)。由威斯康星大學(xué)運(yùn)營并位于南極洲的 IceCube 研究從太陽或其他天文現(xiàn)象(如超新星)發(fā)出的中微子。
盡管惰性中微子不是它的重點(diǎn)，但 IceCube 是為當(dāng)前搜索提供輸入的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)之一。Argüelles-Delgado 說，到目前為止，IceCube 基本上只是收緊了對(duì)惰性中微子的限制。
“IceCube 沒有發(fā)現(xiàn)任何與 MiniBooNE 兼容的振蕩的確鑿證據(jù)，”他說。“而且我們還沒有找到關(guān)于惰性中微子的確鑿證據(jù)。然而，我們發(fā)現(xiàn)了惰性中微子的跡象……我們發(fā)現(xiàn)了一些指向正確方向的線索。”
另一個(gè)為搜索提供有價(jià)值信息的實(shí)驗(yàn)是 MINOS，它從 2005 年到 2012 年研究了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的一束中微子，在明尼蘇達(dá)州的一個(gè)礦山中對(duì)靠近光束起源和遠(yuǎn)離光束起源的粒子進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)任何可能表明存在惰性中微子的東西。
由于 LSND 和 MiniBooNE 看到的結(jié)果與 IceCube 和 MINOS 不同，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室粒子物理學(xué)家 Pedro Machado 表示，幾乎不可能找到關(guān)于惰性中微子的有凝聚力的證據(jù)。
有助于對(duì)話的還有一組可以追溯到首次檢測到中微子的實(shí)驗(yàn)：反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)，例如中國的大亞灣、法國的 Double Chooz 和韓國的 RENO。
迄今為止，他們還沒有找到任何可靠的證據(jù)來支持 MiniBooNE 或 LSND，弗吉尼亞理工大學(xué)的物理學(xué)家 Patrick Huber 說。但他們自己也卷入了理論與實(shí)驗(yàn)之間的沖突。2011 年，一組理論家重新計(jì)算了反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)應(yīng)該看到的電子反中微子的預(yù)期數(shù)量。他們發(fā)現(xiàn)他們的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)測量不符。
自從發(fā)現(xiàn)可能的異常以來，大亞灣的研究人員以及理論家和其他實(shí)驗(yàn)家一直在繼續(xù)研究他們的模型并研究產(chǎn)生這些反中微子的衰變過程。
即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)
所有這些不同的實(shí)驗(yàn)都為惰性中微子問題提供了輸入，但它們從不同的角度提供了它——使用不同的方法和檢查中微子的不同來源。在不久的將來，科學(xué)家們可能會(huì)從試圖與惰性中微子辯論的原始發(fā)起者的觀點(diǎn)相匹配的實(shí)驗(yàn)中得到答案。
在日本質(zhì)子加速器研究中心，一項(xiàng)名為 JSNS^2 的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃檢查 LSND 的觀測結(jié)果。JSNS^2 的 J-PARC 研究員 Takasumi Maruyama 說：“我們的目標(biāo)是通過與 LSND 相同的實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)或擊敗惰性中微子的存在。” “有很多實(shí)驗(yàn)，但我們必須了解相同的中微子源和相同的中微子相互作用發(fā)生了什么。
“所以在 LSND 結(jié)果出來 20 年后，我認(rèn)為現(xiàn)在是跟進(jìn) LSND 實(shí)驗(yàn)的好時(shí)機(jī)。”
在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，一項(xiàng)名為 MicroBooNE 的實(shí)驗(yàn)旨在更詳細(xì)地重現(xiàn) MiniBooNE 的測量結(jié)果。研究人員預(yù)計(jì)今年晚些時(shí)候會(huì)有初步結(jié)果。
MicroBooNE 也是一項(xiàng)更大的實(shí)驗(yàn)的一部分，該實(shí)驗(yàn)涉及一系列三個(gè)探測器，稱為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的短基線中微子計(jì)劃。這三個(gè)探測器將通過檢查距中微子束源三個(gè)不同距離處的振蕩來繪制中微子行為的詳細(xì)圖片。距離震源最遠(yuǎn)的 ICARUS 探測器將于今年秋季開始收集物理數(shù)據(jù)。距離源最近的短基線中微子探測器的建造正在進(jìn)行中。
Huber 說他認(rèn)為惰性中微子將保持隱藏狀態(tài)，可能直到可以設(shè)計(jì)和建造更精確的未來探測器。可能它們永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，要么是因?yàn)樗鼈儾淮嬖冢词且驗(yàn)榕堇A(yù)測的粒子畢竟有不可檢測的一面。
Argüelles-Delgado 說，無論即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是否能夠找到惰性中微子，科學(xué)都將從搜索中受益。
“在粒子物理學(xué)中，當(dāng)有提示時(shí)，你必須追求這些提示，”他說，“因?yàn)橛行┨崾咀罱K會(huì)成為挑戰(zhàn)，而這些提示只會(huì)讓你改進(jìn)你的探測器技術(shù)和技巧——而其他提示會(huì)做到這一點(diǎn)，也讓你會(huì)發(fā)現(xiàn)新的物理學(xué)。所以你總是贏。”
