中微子粒子可能是连接黑暗星区的纽带

被称为中微子的基本粒子已知有三种类型。现在，一些实验已经显示出一种奇怪的第四种味道的迹象-一种“无菌”的中微子，除了重力之外，不受任何自然力的影响。

如果稀薄中微子是真实存在的，它们将把我们带到粒子物理的标准模型之外，并可能提供与暗物质和暗能量所在的理论上的“暗部门”的联系。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的新相干船长-米尔斯(CCM)实验旨在寻找不孕中微子(如果存在的话)的证据。

2010年在希腊雅典举行的中微子会议上，前来参加我们演讲的物理学家们可能希望我们能平息十年前的一项有争议的发现。取而代之的是，我们让他们陷入了震惊的沉默中。

故事始于1996年，当时我们披露了洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)液体闪烁体中微子探测器(LSND)获得的数据，这表明人们普遍接受的中微子-直接穿过大多数物质的微小、无处不在的粒子-有三种类型或口味的问题。我们的结果显示，可能还有第四种中微子味道没有被探测到。科学界对此表示怀疑，事实上，来自后续实验的早期数据暗示，我们1996年的结果是错误的--毕竟没有第四种中微子味道。在雅典的那一天，很明显，观众期待我们的最新发现将一劳永逸地关闭LSND结果的大门。然而，我们揭示了第四种中微子的证据变得更加令人信服。

我们还没有发现这种粒子，但我们的工作，作为在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室(MiniBooNE)进行的迷你助推器中微子实验(MiniBooNE)的一部分，表明几乎可以肯定的是，当代对粒子物理的理解存在问题。最有可能的解决方案是一种新的中微子-一种“无菌”中微子，之所以这样叫是因为它不会以任何方式与其他物质相互作用，除非通过重力。自从我们在希腊发表报告以来的十年里，来自MiniBooNE的数据进一步支持了中微子存在第四种味道的观点。

我们现在认为，有超过99.999999%的可能性正在发生一些超出已知物理范围的事情，而不孕中微子是一个强有力的竞争者。然而，我们的实验可能正在探测第四个中微子的想法仍然存在争议，因为粒子物理的标准模型是历史上测试最多、得到彻底证实的理论框架之一-而且它只允许三个中微子。然而，我们知道标准模型并不完整，因为它不能解释暗物质或暗能量，这似乎是支配宇宙的无形物质。而一种新的中微子味道可能就是连接到那个隐藏领域的纽带。终于，在多年的不确定之后，世界各地开始了几个项目-包括我们自己的连贯船长-米尔斯(CCM)实验-可能会揭开这个谜团。

所有的中微子都是幽灵。每秒都有数以万亿计的它们以接近光速的速度从你身边飞过。然而，一个不孕的中微子将是所有这些中微子中最具幽灵色彩的。因为它不会经历其他粒子通过的强、弱和电磁力的相互作用，所以它基本上是无法检测到的。这一性质将使它成为物理学家所称的不可见领域暗部门的一部分，其中包括占宇宙能量密度95%的暗能量和暗物质。稀薄的中微子或许能够通过新的自然力与暗物质相互作用。它们甚至可能是暗物质：一些假设认为，宇宙中不可见物质的一部分甚至大部分是由不孕的中微子组成的。

如果存在不孕中微子，这将是这一令人费解的粒子家族向物理学家抛出的一系列惊喜中的最新一例。第一次是在20世纪60年代，当时设计用来捕捉从太阳飞向我们的中微子的实验测量结果远远低于科学家的预期。所有恒星都是由核聚变反应提供燃料的，在核聚变反应中，质子结合形成氦核，氦核进而聚变产生更重的元素。在这些反应的产物中有电子中微子，这是已知的三种口味之一，还有µ介子中微子和τ中微子。理论预测，来自太阳的稳定粒子流将到达地球上的天文台，然而，实验只测量到了预期数量的一小部分。由此产生的亏损被称为太阳中微子问题。

许多物理学家最初认为我们只是没有真正理解太阳是如何工作的。事实证明，真正的问题既更简单，也更成问题。这并不是说太阳发射的中微子比预期的要少。这是因为中微子没有到达我们的地面探测器--或者更确切地说，它们在途中发生了变化。

科学家们最终得出的结论是，中微子并不是一个纯粹的物体。相反，每个中微子都是由所有类型的中微子混合而成的，它们在行进过程中可以在不同的味道中振荡。这一发现令人惊讶的原因有很多。首先，中微子可以改变味道的事实意味着它们不可能像标准模型预测的那样是以光速运动的无质量粒子。究其原因，是爱因斯坦的狭义相对论的结果，该理论告诉我们，运动物体的时间运动比静止物体慢。当一个物体的速度增加时，时间会继续减慢，直到它真正停止。这就是当物体达到光速的时候-这意味着如果你能以光速旅行，时间似乎会静止不动，整个宇宙都冻结在原地。然而，如果中微子改变了它们的味道，它们就必须经历变化，从而经历时间。因此，它们的速度肯定比光速慢，这意味着它们不可能是无质量的。根据相对论，以光速运动的粒子没有质量，所以如果它们慢于光速，它们肯定有一定的质量-而标准模型有一个问题。这一发现，以及中微子振荡的发现，为鹿田隆明和阿瑟·B·麦克唐纳赢得了2015年诺贝尔物理学奖。

早在20世纪90年代和21世纪初，我们和其他人在LSND和MiniBooNE就一直在研究中微子意想不到的口味转换能力，当时我们一直在寻找额外中微子的迹象。这两个实验都连接到粒子加速器上，粒子加速器产生稳定的µ子中微子流，两个实验都使用了放置在一定距离外的探测器，这些探测器被调谐到观察电子中微子。

如果你能在单个中微子穿越太空时沿着它航行，你会看到它从一种类型振荡到另一种类型，在所有的味道中循环。至少在原则上，电子、µ子和τ的味道都是可以观察到的。然而，如果存在稀薄的中微子，中微子也可能转变成第四种味道。对于一个飞来飞去的观察者来说，粒子似乎只是在飞行的这一段时间里消失了。在最简单的情况下，中微子将在一段时间后作为常规味道之一重新出现(尽管理论上有可能不存在的中微子可能会衰变，从而完全结束振荡周期)。

三种正常的中微子之间的振荡通常发生在很长的距离上。然而，由于无菌中微子可能比常规口味的中微子质量更大，粒子可能会更快地转变为这种类型，同样可以在较短的距离内从无菌中微子转变回三种常规口味中的一种。因此，如果存在稀薄的中微子，它们应该会加速振荡过程，并极大地缩短例如µ子中微子在转变为电子中微子之前的旅行距离。

这正是我们在早期实验中发现的：似乎µ子中微子在从源头行进时消失的速度比我们预期的要快得多，电子中微子出现的数量也比预期的要多。我们观察到的振荡长度只有几十到几百米，而不是我们预期的几十到数百公里。如此大量的µ子中微子不应该能够在实验的距离内转换成电子中微子，除非它们可能是在途中转变成稀有的中微子。

我们的实验并不是唯一有异常结果的实验。一些安装在核反应堆附近的中微子探测器也发现了一些不对劲的迹象。和太阳一样，核反应堆产生的副产品是中微子，已经进行了几次实验。

俄罗斯的物理学家正在通过一项名为DANSS(基于固态塑料闪烁体的反应堆反中微子探测器)的实验来避免这些不确定性。这个项目是在一个核反应堆下面进行的，但是科学家们每隔几天就会改变反应堆和中微子探测器之间的距离，看看电子中微子是否真的在远离源头的时候变形成其他类型的中微子。这种方法可以告诉研究人员是否正在发生短程振荡，即使他们对反应堆中产生的中微子数量没有准确的估计。

南极洲巨大的冰立方中微子天文台也在寻找不育的中微子。埋藏在极地冰层中的这一立方米长的光电探测器阵列记录了一种名为切伦科夫辐射的光信号，这种光信号是由来自高层大气的高能中微子与冰相互作用并引发粒子雨而产生的。通过研究光电探测器中收集的切伦科夫光，科学家可以了解引发粒子簇射的中微子的类型、能量和飞行方向。

冰立方团队将很快向冰立方阵列报告一份为期八年的中微子穿过地球的分析报告。这项研究将寻找µ子中微子消失的迹象，如果发现，可能意味着存在与LSND和MiniBooNE结果一致的不育中微子。

所有关于不孕中微子的证据都很耐人寻味，也很有启发意义，但还不是决定性的。冰立方中研究的中微子能量范围很广，这使得对其振荡的分析变得复杂。在反应堆实验中，也很难区分研究人员寻找的中微子与太阳产生的背景中微子，以及可以伪装成信号的普通探测器材料中的放射性衰变。

在像LSND和MiniBooNE这样的实验中，可以打开和关闭产生中微子的加速器来确定背景噪音的水平。即使在这些类型的实验中，我们也受到部分限制，因为我们无法在超过小范围的距离内寻找中微子。过去捕捉中微子的方法通常依赖于大型的、固定的探测器，这限制了我们的灵活性。这些项目相当于从电影中的一个点取一帧，我们需要的是一系列的帧来了解整个故事。

现在即将上线的一种新的实验应该能够捕捉到我们需要的多个帧。理想情况下，如前所述，我们应该与中微子并肩飞行，观察它的振荡。我们无法做到这一点，但这些实验为我们提供了一种在振荡过程中拍摄快照的方法，如果存在的话，这种方法可能会揭示不孕中微子的踪迹。这样的项目包括费米实验室的短基线中微子计划和我们在洛斯阿拉莫斯刚刚开始的CCM实验。

CCM被安置在洛斯阿拉莫斯中子科学中心(LANSCE)的一个大厅里，在一个800米长的粒子加速器的尽头。加速器向钨靶发射一束质子。当质子撞击钨时，它们通过一种称为中子散裂的过程将大量中子踢出目标原子。在这个过程中释放的一些能量导致了短暂π粒子的产生。这些介子很快就会停下来，衰变成µ介子，更重要的是，对我们来说，是能量非常特殊的µ介子中微子。

CCM通过相干中微子散射来探测中微子，这种效应依赖于这样一个事实，即所有粒子(包括中微子)的行为不仅像小弹珠，而且像波。这种波粒二象性是量子力学的基石。与粒子相关的波长取决于粒子的能量。高能、快速运动的粒子波长较短，而运动缓慢、能量较低的粒子波长较长。当短波中微子撞击原子核时，它们与原子核内的单个中子或质子相互作用。但是，当中微子的能量足够低，其波长与原子核的直径相当时，就会发生一些特殊的事情。低能中微子与整个原子核相互作用，而不是撞击原子中的单个质子或中子。这有点类似于波浪经过一艘船。水面上的一系列短波纹对一艘大船的运动几乎没有任何影响，但在公海上的很长的波浪会戏剧性地将同一艘船抬起。由于长波中微子与原子核作为一个整体相互作用，而不是作为小比特的集合，因此中微子在低能时击中整个原子核的可能性比在高能时大得多。

与高能中微子不同，低能中微子从原子的整个原子核反弹。这种类型的散射被称为“相干”，因为波长和原子核的大小相似。原子受到撞击时会反冲。如果相互作用发生在合适的物质中，反冲原子会产生微小的闪光，中微子会继续前进，尽管方向与最初的方向不同。通过用灵敏的光电倍增管探测器捕捉闪光，我们可以确定中微子从原子散射的时间和地点，以及原子的动能。虽然相干散射不能揭示单个中微子的味道，但它可以通过相互作用测量所有三种已知的中微子味道的总和。这一事实是至关重要的：如果总和不是预期的中微子数量，可能会涉及到未测量的未测量的不孕中微子-它们不会从氩上散射，因此不会产生任何闪光-可能会涉及到。

考虑到我们的中微子撞击整个原子核的几率比它只击中其中一个原子核的几率要高，我们可以在这样的实验中使用比过去几年许多中微子探测器所需的巨大探测器更小的探测器。与MiniBooNE的800公吨矿物油探测器不同，CCM探测器包含10公吨液氩。因为探测器很紧凑，我们可以把它从一个地方搬到另一个地方，以便在离中微子源一定距离的范围内观察中微子。如果中微子在LANSCE实验大厅可用的几十米范围内振荡得足够频繁，我们将观察到中微子相互作用的总数随距离而变化。这样的观察将是进入不孕中微子的振荡正在发生的确凿证据-因为只有三种口味，我们应该在如此小的距离内看不到任何振荡。

当然，CCM有可能找不到不孕中微子的证据。在这种情况下，当我们将CCM探测器移到离钨目标更远的地方时，对已知中微子的观测似乎会稳步减少，就像你离开灯泡的表观亮度随着你离开它而降低一样。

虽然令人失望，但不能排除存在一个或多个不孕中微子的可能性。然而，这将允许我们对它们的潜在属性施加限制。因为中微子的振荡取决于中微子的相对质量和一个被称为混合角的参数，如果找不到不孕中微子的迹象，我们就可以掌握相对质量和混合角不太可能是什么，从而有效地缩小了未来搜索不孕中微子必须考虑的参数范围。

提供与标准模型不符的结果的实验者在被证明无罪之前被适当地认为是有罪的，因为从历史上看，挑战标准模型的科学家都是错误的。然而，可以肯定的是，标准模型并不是故事的全部。仅中微子振荡就证明了这一事实。

自从1956年洛斯阿拉莫斯的前辈弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·考恩(Clyde Cowan)发现第一批中微子以来，中微子研究一直是物理学令人兴奋的新发展的先兆。尽管不孕中微子在我们第一次发现它们的迹象25年后仍然是一个有争议的话题，但实验现在正处于以某种方式解决争议的边缘。

MiniBooNE短基线中微子实验中大量的类电子事件。Alexis A.Aguar-Arevalo等人。《物理评论快报》，第121卷，第22期，221801期；2018年11月30日。

来自IceCube DeepCore数据的中微子非标准相互作用的界限。谢尔盖·弗拉基米罗维奇·德米多夫(Sergei Vladimirovich Demidov)，“高能物理杂志”，2020年3月，第3卷，第105号。