美國能源部費米國家加速器實驗室的 MicroBooNE 實驗的新結果對一種被稱為惰性中微子的理論粒子造成了打擊。二十多年來，這個提議的第四中微子一直是早期物理實驗中發現的異常現象的一個有希望的解釋。發現一個新粒子將是一項重大發現，也是我們對宇宙理解的根本轉變。
然而，由國際 MicroBooNE 合作發布并在今天的研討會上展示的四項補充分析都表明了同樣的事情：沒有惰性中微子的跡象。相反，結果與粒子物理學標準模型一致，這是科學家關于宇宙如何運作的最佳理論。數據與標準模型的預測一致：三種中微子——不多也不少。
“MicroBooNE 通過多種類型的交互、多種分析和重建技術進行了非常全面的探索，”耶魯大學物理學教授兼 MicroBooNE 聯合發言人 Bonnie Fleming 說。“他們都告訴我們同樣的事情，這讓我們對我們的結果非常有信心，因為我們沒有看到任何無菌中微子的跡象。”
MicroBooNE 是一個 170 噸的中微子探測器，大小與校車差不多，自 2015 年開始運營。該國際實驗有來自五個國家的 36 個機構的近 200 名合作者。他們使用尖端技術記錄中微子事件的極其精確的 3D 圖像，并詳細檢查粒子相互作用——這是對亞原子世界急需的探索。
中微子是自然界的基本粒子之一。它們是中性的，極其微小，是我們宇宙中質量最豐富的粒子——盡管它們很少與其他物質相互作用。它們對物理學家來說也特別有趣，圍繞著它們有許多懸而未決的問題。這些謎團包括為什么它們的質量如此之小，以及它們是否是我們宇宙中物質對反物質的主導地位的原因。這使得中微子成為探索宇宙如何在最小尺度上運作的獨特窗口。
MicroBooNE 的新結果是中微子研究的一個激動人心的轉折點。隨著惰性中微子作為中微子數據中發現的異常現象的解釋進一步不受歡迎，科學家們正在研究其他可能性。其中包括像中微子碰撞期間其他過程產生的光這樣有趣的事物，或者像暗物質那樣奇異的事物、與希格斯玻色子相關的無法解釋的物理學，或其他超出標準模型的物理學。
無菌中微子的初步跡象
中微子有三種已知類型——電子中微子、μ子中微子和 tau 中微子——并且可以在它們行進時以特定方式在這些類型之間切換。這種現象被稱為“中微子振蕩”。科學家可以利用他們對振蕩的了解來預測在距源不同距離處測量中微子時，他們希望看到多少種中微子。
中微子由許多來源產生，包括太陽、大氣、核反應堆和粒子加速器。從大約二十年前開始，來自兩個粒子束實驗的數據讓研究人員陷入了困境。
在 1990 年代，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器實驗發現了比預期更多的粒子相互作用。2002 年，費米實驗室的后續 MiniBooNE 實驗開始收集數據以更詳細地研究 LSND 結果。
MiniBooNE 科學家還看到了比計算預測更多的粒子事件。在這些奇怪的中微子束結果之后，有報告稱從放射源和反應堆中微子實驗中丟失了電子中微子。
無菌中微子成為解釋這些奇怪結果的熱門候選者。雖然中微子已經很難探測到，但提議的惰性中微子將更加難以捉摸，只對重力作出反應。但是因為中微子在不同類型之間穿梭，一個無菌中微子可能會影響中微子振蕩的方式，在數據中留下它的特征。
但是研究自然界中最小的事物并不簡單。科學家從未直接看到中微子;相反，他們在探測器內看到中微子撞擊原子時出現的粒子。
MiniBooNE 探測器有一個特別的限制：它無法分辨出靠近中微子相互作用位置的電子和光子(光粒子)之間的區別。這種模糊性描繪了碰撞產生的粒子的混亂畫面。你可以把它想象成有一盒巧克力——MiniBooNE 可以告訴你里面有十多塊巧克力，但 MicroBooNE 可以告訴你哪些是杏仁，哪些是焦糖。
如果 MiniBooNE 真的看到比預期更多的電子，這將表明導致相互作用的額外電子中微子。這意味著在研究人員沒有考慮到的振蕩中發生了一些意想不到的事情：惰性中微子。但是，如果光子導致過量，它可能是一個背景過程，而不是瘋狂的振蕩和一個新粒子。
很明顯，研究人員需要更細致的檢測器。2007 年，MicroBooNE 的想法誕生了。
MicroBooNE：精密探測器
MicroBooNE 探測器建立在最先進的技術和技術之上。它使用特殊的光傳感器和 8000 多根精心連接的電線來捕捉粒子軌跡。它裝在一個 40 英尺長的圓柱形容器中，里面裝滿了 170 噸純液態氬。中微子撞擊致密、透明的液體，釋放出電子設備可以記錄的額外粒子。由此產生的圖片顯示了詳細的粒子路徑，并且至關重要的是，區分了電子和光子。
MicroBooNE 的前三年數據顯示沒有過量的電子——但它們也顯示沒有來自背景過程的過量光子，這可能表明 MiniBooNE 的數據存在錯誤。
“我們沒有看到我們對類似 MiniBooNE 的信號的預期，既沒有看到電子，也沒有看到最有可能的光子嫌疑人，”費米實驗室科學家 Sam Zeller 說，他曾擔任 MicroBooNE 聯合發言人八年。“但 MiniBooNE 的早期數據不會撒謊。有一些非常有趣的事情發生了，我們仍然需要解釋。”
MicroBooNE 以 95% 的置信度排除了導致 MiniBooNE 過量事件的最可能的光子來源，并以超過 99% 的置信度排除了電子作為唯一來源，并且還有更多。
MicroBooNE 仍有一半的數據需要分析，還有更多的方法需要分析。探測器的粒度使研究人員能夠觀察特定種類的粒子相互作用。雖然該團隊從 MiniBooNE 過剩的最可能原因開始，但還有其他渠道需要研究——例如電子和正電子的出現，或包括光子在內的不同結果。
“能夠詳細查看這些不同的事件結果是我們探測器的真正優勢，”澤勒說。“數據正在引導我們遠離可能的解釋，并指向更復雜和有趣的東西，這真的很令人興奮。”
雖然第一次分析關注的是惰性中微子，但額外的分析可以提供更多關于奇異解釋的信息，包括暗物質、軸子狀粒子、假設的 Z 素玻色子等。它甚至有可能仍然是一個無菌中微子，以更意想不到的方式隱藏。
未來的中微子探索
中微子被謎團包圍。較早的 MiniBooNE 和 LSND 實驗看到的異常數據仍然需要解釋。中微子振蕩現象和中微子具有質量的事實也是如此，標準模型無法預測這兩種情況。還有一些誘人的暗示，中微子可以幫助解釋為什么宇宙中有這么多物質，而不是一個充滿反物質或什么都沒有的宇宙。
MicroBooNE 是一套尋找答案的中微子實驗之一。至關重要的是，它也是液氬技術的長期試驗臺，將用于即將推出的探測器。
“我們已經構建并測試了硬件，我們還開發了基礎設施來處理我們龐大的數據集，”曼徹斯特大學的科學家兼 MicroBooNE 聯合發言人賈斯汀·埃文斯 (Justin Evans) 說。“這包括模擬、校準、重建算法、分析策略和通過機器學習等技術實現的自動化。這項基礎工作對于未來的實驗至關重要。”
液態氬是 ICARUS 探測器的首選材料，即將開始收集物理數據，短基線近探測器將于 2023 年上線。這三個實驗與 MicroBooNE 一起構成了費米實驗室的短基線中微子計劃，并將產生一個豐富的中微子數據。例如，在一個月內，SBND 將記錄的數據比 MicroBooNE 兩年收集的數據還多。今天來自 MicroBooNE 的結果將有助于指導三人組廣泛產品組合中的一些研究。
“每次我們觀察中微子時，我們似乎都會發現一些新的或意想不到的東西，”埃文斯說。“MicroBooNE 的結果將我們帶向了一個新的方向，我們的中微子計劃將揭開其中的一些謎團。”
液氬也將用于深地下中微子實驗，這是費米實驗室主辦的國際旗艦實驗，已有來自 30 多個國家的 1000 多名研究人員參與。DUNE 將通過地球將中微子發送到 800 英里深的桑福德地下研究設施的探測器來研究振蕩。短距離和長距離中微子實驗的結合將使研究人員深入了解這些基本粒子的工作原理。
Fleming 說：“我們在物理學中有一些重大的、未解決的問題，許多實驗都試圖解決這些問題。” “而中微子可能會告訴我們在哪里可以找到其中的一些答案。我認為如果你想了解宇宙是如何運作的，你必須了解中微子。”
