現(xiàn)在，中微子是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型不可或缺的一部分，它們無處不在，同時又神秘?zé)o比。中微子有三種類型，或者三種“味”，即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子，它們會通過四種基本力中的弱力和引力與物質(zhì)相互作用。
當(dāng)中微子在空間中傳播時，會發(fā)生相當(dāng)有趣的事情，它們會從從一種味轉(zhuǎn)化成另一種味，這種過程被稱為“中微子振蕩”。
測量中微子振蕩的實驗通常著眼于查看在特定情況下，某種特定類型的中微子會出現(xiàn)多少，或消失多少。上世紀(jì)90年代初，在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的地下深處運(yùn)行的液體閃爍中微子探測器(LSND)實驗中，科學(xué)家看到了比預(yù)期更多的電子中微子。
二.
對于這種異常現(xiàn)象，大多數(shù)解釋都提出可能存在第四種類型的中微子，即所謂的“惰性中微子”。物理學(xué)家認(rèn)為，這種假想的中微子會根據(jù)新的規(guī)則，混合所有的中微子類型。自那之后，世界各地的許多實驗都試圖尋找惰性中微子的蹤跡。物理學(xué)家相信，這種假想粒子能夠為解開許多重大的宇宙之謎提供線索。
2018年，美國費(fèi)米國家實驗室(Fermilab)的MiniBooNE實驗終于探測到了與LSND實驗大體上相一致的結(jié)果。在LSND和MiniBooNE實驗中，研究人員在相對較短的距離(30米到500米之間)發(fā)射一束µ子中微子，然后測量在另一端探測到的電子中微子的數(shù)量。
物理學(xué)家知道，在這樣的距離內(nèi)，µ子中微子不能直接振蕩成電子中微子。但如果一些µ子中微子變成非常輕的惰性中微子，再變成電子中微子，就能夠解釋實驗中觀測到的這些額外的電子中微子了。這就是惰性中微子假說。
那么，惰性中微子真的存在嗎?其實，如果實驗真的能夠證實這樣一種輕的惰性中微子的存在，那將會是非常重大的突破，它意味著很有可能宇宙中也存在其他更重的惰性中微子，這些更重的中微子可以解答粒子物理學(xué)中的幾個主要難題，比如可能構(gòu)成了宇宙大部分的物質(zhì)的暗物質(zhì)的性質(zhì)，為什么中微子有質(zhì)量，為什么宇宙中包含的物質(zhì)比反物質(zhì)多得多……
然而與此同時，輕惰性中微子假說又讓宇宙學(xué)家感到“頭疼”。因為如果它們真的存在，那么我們應(yīng)該能夠觀測到在大爆炸后形成的惰性中微子的痕跡。可是從最近對宇宙微波背景輻射的研究中，或從星系的分布以及在星系之間的輕元素的研究來看，并沒有任何跡象表明存在這樣的惰性中微子。
這可能意味著，關(guān)于惰性中微子的假說是錯誤的;又或者，我們對宇宙的理解中存在錯誤。
現(xiàn)在，一項新的研究結(jié)果為許多期待發(fā)現(xiàn)惰性中微子的科學(xué)家?guī)砹肆钊耸南ⅰＴ贔ermilab展開的一項名為MicroBooNE的新實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)：新的結(jié)果與粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型一致，即只存在三種中微子，不多也不少，并沒有惰性中微子存在的跡象。
MicroBooNE實驗是專門為了追蹤中微子的這種異常現(xiàn)象而設(shè)計的，它是一個重達(dá)170噸的中微子探測器，自2015年以來便一直在運(yùn)行。實驗涉及到多種不同的相互作用類型，進(jìn)行實驗的研究人員采用的是非常尖端的技術(shù)來記錄中微子事件的精確3D圖像。
他們采用了多種不同的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了具有非常高的置信度的結(jié)果，但所有的這些結(jié)果都表明，沒有發(fā)現(xiàn)額外的電子中微子的跡象。這對于進(jìn)行了LSND實驗和MiniBooNE實驗的研究人員，以及惰性中微子假說的支持者來說，是很令人失望的。
這樣的結(jié)果使許多物理學(xué)家開始思考這樣一個問題：究竟是什么導(dǎo)致了早期實驗所觀察到的異常結(jié)果?有物理學(xué)家指出，到目前為止，得出了最新結(jié)果的MicroBooNE合作團(tuán)隊只分析了已收集到的數(shù)據(jù)的一半，因此他們認(rèn)為在此時最好對新的結(jié)論持保留態(tài)度。待到物理學(xué)家對MicroBooNE的數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步分析之后，或許將能得到更多有助于解開這個謎團(tuán)的信息。
