很少有物理学家有幸将一种新的基本粒子带到世界上。然而，当沃尔夫冈·泡利在 1930 年突然想到中微子的想法时，内心的不安抑制了他的反应。“我做了一件可怕的事情，”泡利后来告诉他的同事。“我假设了一种无法被探测到的粒子。”
中微子确实难以捉摸——它幽灵般的性质使其能够穿过几乎所有物理屏障，包括物理学家在其粒子探测器中使用的材料。事实上，大多数中微子在穿过地球时，甚至没有碰到另一个粒子。然而，泡利的担忧被证明有些夸大：中微子是可以被探测到的——尽管这样做需要付出巨大的努力和实验创造力。
中微子也是最奇怪的基本粒子，还有其他原因。它们不构成原子，也与化学没有任何关系。它们是唯一不带电的物质粒子。它们非常轻——质量不到最轻物质成分电子的百万分之一。而且，中微子比其他粒子更会变形；它们在三种类型或“味”之间转换。
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这些微小的粒子让物理学家们持续惊讶了 80 多年。即使在今天，关于中微子的基本问题仍然没有答案：中微子只有三种味吗，还是存在更多种？为什么所有中微子都如此轻？中微子是它们自己的反物质对应物吗？为什么中微子会如此惊人地改变特性？
在世界各地——在粒子对撞机、核反应堆、废弃的矿井中——可以解决这些问题的新实验正在上线。它们提供的答案应该为自然的内在运作提供重要的线索。
中微子的奇异性使其成为指引粒子物理学家进行艰巨航行的北极星，朝着所谓的统一大理论方向前进，该理论用一致的数学框架描述除引力以外的所有粒子和力。《粒子物理学标准模型》是迄今为止关于粒子和力的最佳理论，但无法容纳中微子的所有复杂性。它必须扩展。
轻量但紧迫
在标准模型的中微子部分基础上构建的最流行方法是引入称为右手中微子的新实体。手性是电荷的一种变体，它决定粒子是否感受到弱相互作用，即负责放射性衰变的力；粒子必须是左手性的才能感受到弱力。因此，这些假设的右手中微子将比它们的左手同胞（标准模型中经过实验证的中微子）更难捉摸。所有中微子都被归类为轻子——也包括电子的扩展粒子家族——这意味着它们不感受将原子核中的质子和中子结合在一起的强力。由于缺乏电荷，中微子也不直接感受电磁力。对于三种已知的中微子味来说，只剩下引力和弱相互作用力，但右手中微子甚至对弱力也是不可渗透的。
如果存在右手中微子，它将为另一个中微子谜题提供非常合理的解释：为什么三种左手性类型——电子、μ子和 τ 中微子——都具有如此小的质量。
大多数基本粒子通过与普遍存在的希格斯场相互作用获得质量。（去年，当日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机（LHC）的物理学家宣布他们已经识别出一种与长期寻求的希格斯玻色子描述相匹配的新粒子时，希格斯成为家喻户晓的名字。该玻色子是希格斯场的粒子对应物，正如光子是电磁场的对应物一样。）在此过程中，希格斯带走了粒子的弱力版本的电荷。由于右手中微子缺乏这种电荷，它们的质量不依赖于希格斯场。相反，它可能来自完全不同的机制，即大统一的极高能量，这将使右手中微子非常重。
量子效应可以将右手中微子与其左手同胞联系起来，从而导致一个的巨大质量“感染”另一个。然而，这种传染性会非常弱——如果右手中微子得了肺炎，左手中微子只会感冒咳嗽——这意味着左手性质量会非常小。这种关系被称为跷跷板机制，因为大的质量会提升或抬起较小的质量。
中微子质量的另一种解释来自超对称，这是标准模型之外新物理学的主要候选者。在超对称假设中，标准模型中的每个粒子都有一个尚未被发现的伙伴。所谓的超伙伴粒子必须非常巨大才能逃脱迄今为止的探测，这将立即至少使基本粒子的数量增加一倍。如果存在超对称粒子，LHC 可能能够产生它们并测量它们的性质。
超对称最吸引人的特性之一是，被称为中性微子的超粒子是暗物质的良好候选者——星系和星系团中施加引力但既不发光也不以其他明显方式显露自身的质量。只有当中性微子在很长一段时间内保持稳定，而不是迅速衰变为其他粒子时，它才符合暗物质的要求。
因此，寿命短的中性微子将使暗物质研究人员回到起点，但可能对中微子物理学家来说是一个福音。中性微子的稳定性取决于一个假设的性质，称为 R 宇称，它阻止超伙伴衰变为任何普通的标准模型粒子。然而，如果 R 宇称不成立，中性微子就会变得不稳定——其衰变部分取决于中微子的质量。
我们两人（赫希和波罗德）与西班牙巴伦西亚大学的何塞·巴莱和葡萄牙里斯本技术大学的豪尔赫·C·罗芒合作，已经证明中微子和中性微子之间的联系可以在 LHC 上进行测试。如果中性微子的稳定性确实取决于中微子，那么中性微子的寿命可以从已知的中微子特性中预测出来。恰好超粒子应该存在足够长的时间，让物理学家可以在 LHC 的探测器内追踪其整个生命周期——从产生到衰变。
什么是反物质？
对中微子微薄质量的所有合理解释都指向未探索的物理学领域。然而，其中一种解释，即跷跷板机制，也可能与物质如何战胜反物质的奥秘有关——这场胜利使宇宙结构的形成以及最终生命的进化成为可能。
标准模型中的每个粒子都有一个反物质对应物，一种具有相反电荷的“比扎罗世界”版本。例如，电子的电荷为 -1，而反电子或正电子的电荷为 +1。当电子和正电子碰撞时，它们的电荷相互抵消，粒子以辐射爆发的形式湮灭。右手中微子的完全不带电可能具有重要的意义：这可能意味着，对于中微子来说，物质和反物质是相同的。在物理学术语中，电子和正电子被称为狄拉克粒子。另一方面，自身反物质对应物的粒子是马约拉纳粒子。
如果跷跷板理论准确地反映了粒子世界的运作方式，那么左手中微子不仅感染了质量，还感染了右手中微子的马约拉纳性。换句话说，如果有些中微子是它们自身的反粒子，那么所有中微子都是。
中微子及其反粒子是相同的将有各种有趣的含义。例如，中微子可以触发粒子和反粒子之间的转变。在大多数粒子反应中，所谓的轻子数，或轻子数减去反轻子数，是守恒的——它不会改变。然而，中微子可能会违反这条规则，造成物质和反物质的不平衡。对于我们人类来说，这种不平衡是一件非常好的事情，因为如果物质和反物质在大爆炸后均匀配对，它们将完全湮灭彼此，不留下任何东西来构建星系、行星和生命形式。长期以来，物质支配反物质的解释一直困扰着物理学家和宇宙学家。
消失的行动
中微子及其反粒子之间的联系不必停留在诱人但最终未解决的理论领域。过去和现在的许多实验都试图通过寻找一种称为核双β衰变的放射性事件来明确回答中微子是否实际上是它们自身的反粒子。
中微子和反中微子最初是在核 β 衰变中观察到的，原子通过核 β 衰变发射电子和反中微子。在几种核同位素中，可以同时发生两次 β 衰变，在正常情况下，会发射两个电子和两个反中微子。然而，如果中微子是马约拉纳粒子，那么在第一次衰变中发射的同一个反中微子可以在第二次衰变中被吸收。结果是双 β 衰变，不发射任何中微子或反中微子[参见对页的方框]。在瞬间，在以前没有轻子的地方，出现了两个轻子（电子），而没有它们通常的平衡反轻子（反中微子）。换句话说，这种所谓的无中微子双 β 衰变违反了轻子数守恒。
目前，寻找无中微子双 β 衰变是我们对特别是马约拉纳中微子和一般轻子数违反的最佳测试。原则上，无中微子双 β 衰变实验很简单：收集一种核同位素，如锗 76，其中可以同时发生 β 衰变，然后等待两个电子在没有中微子陪伴的情况下出现。然而，实际上，这些实验非常困难。任何类型的双 β 衰变都极其罕见，因此实验人员必须收集大量的锗或其他源材料，才能有望记录无中微子类型。更糟糕的是，从宇宙射线不断倾泻到地球上的亚原子粒子流倾向于淹没来自双 β 衰变的微小信号。因此，实验人员必须将他们的探测器埋在地下深处或以前的矿山或其他地下实验室中，那里的覆盖岩石几乎可以屏蔽掉所有宇宙射线。
不幸的是，迄今为止唯一一份关于无中微子双 β 衰变的报告来自意大利的海德堡-莫斯科双 β 衰变实验，但受到了其他物理学家的强烈质疑。刚刚开始获取数据或目前正在建设中的下一代探测器将进行更彻底的搜索。在新墨西哥州进行的一项名为 EXO-200 的实验和在日本进行的另一项名为 KamLAND-Zen 的实验最近公布了他们搜索无中微子双 β 衰变的初步数据，这与之前的说法引起了摩擦，但并未明确排除之前的说法。
意大利的 GERDA 实验于 2011 年上线，它使用与海德堡-莫斯科装置相同的同位素，采用改进的设计，旨在直接对抗其前身备受争议的发现。EXO-200 和 KamLAND-Zen 实验都在继续运行，一个名为 CUORE 的装置计划于 2014 年在意大利开始获取数据。目前正在进行的先进实验的数量为人们提供了非常合理的希望，即无中微子双 β 衰变可能会在本十年末之前得到证实。
光开关
发现尚未被发现的中微子或证明中微子和反中微子是相同的，将为这些已经令人费解的粒子增添一个全新的神秘层面。但是，即使我们物理学家正在寻找这些粒子的新方面，我们也继续与一种有据可查但了解甚少的的中微子属性作斗争——它们强烈的变形倾向。在文献中，我们说轻子味违反量或中微子混合与夸克味之间的混合相比很大，夸克是构成质子和中子的基本粒子。
世界各地的许多研究小组正在研究新构想的自然对称性——表面上不同的力和粒子之间的关键共性——如何解释这种行为。一个例子是已知粒子从一种粒子转变为另一种粒子的方式中固有的对称性。加尔各答萨哈核物理研究所的 Gautam Bhattacharyya、德国多特蒙德技术大学的 Philipp Leser 和我们中的一位（Päs）最近发现，这种对称性会显着影响希格斯场。味交换夸克和中微子与希格斯场的相互作用将体现在希格斯玻色子的奇异衰变产物中，这些产物应该可以在 LHC 上观察到。这样的信号可能指向中微子超活跃嬗变的潜在机制，这肯定会是 LHC 最壮观的发现之一。
与此同时，另一类实验正在确定粒子身份转换的频率。日本的 T2K、明尼苏达州的 MINOS 和意大利的 OPERA 等长基线实验探测来自数百公里外粒子加速器的中微子束，以测量中微子在穿过地球的长距离中的味变化[参见第 43 页的方框]。这些实验的规模如此之大，以至于中微子在其旅程中可能会跨越州界甚至国际边界。（2011 年，OPERA 在合作的物理学家宣布他们在实验中发现中微子从 CERN 到意大利地下实验室的传播速度似乎超过光速时成为新闻——这一测量很快被证明是有缺陷的。）为了补充这些长距离中微子实验，法国的 Double Chooz 项目、中国的大亚湾反应堆中微子实验和韩国的 RENO 都测量了来自核反应堆的中微子的短程振荡。
直到 2012 年，这些实验才最终确定了所谓的混合角中最后一个也是最小的一个——控制中微子味之间跃迁的参数。最后一个被确定的混合角，称为反应堆角，描述了电子中微子或反中微子在短基线上的转换概率。反应堆角的测量结果开启了未来中微子实验可能能够比较中微子和反中微子性质的可能性。粒子及其反物质对应物之间的不对称性被称为 CP 破坏，并且与无中微子双 β 衰变的研究一起，可能与为什么宇宙中物质多于反物质的奥秘有关。
在正在进行的搜索中，T2K 可能有第一个体面的机会看到 CP 破坏的迹象。但是，新一代实验正在竞相回答关键的中微子问题——而且这有望令人兴奋。目前正在美国建造的长基线 NOvA 实验也具有揭示中微子 CP 破坏的潜力。NOvA 将从伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室向地球发射中微子束，穿过威斯康星州和苏必利尔湖的顶端，到达 810 公里外的明尼苏达州阿什河的探测器。中微子将在不到三毫秒的时间内完成旅程。
在其研究目标中，NOvA 还旨在阐明中微子质量等级——确定哪个中微子最轻，哪个中微子最重。目前，物理学家只知道至少有两种中微子具有非零质量，但是，与这些幽灵粒子如此多的方面一样，细节仍然难以捉摸。
挥之不去的谜团
由于正在进行如此多的中微子实验——具有不同的目标、不同的设计和不同的粒子源——来自全球各地的各种数据有时会产生相互冲突的解释。最诱人也最具争议的实验暗示之一表明存在一种称为惰性中微子的新粒子。
与泡利在 1930 年的担忧相呼应，惰性中微子只能间接探测到，就像跷跷板机制中重得多的右手中微子一样。（然而，从理论的角度来看，这两种提出的粒子几乎是互斥的。）尽管如此，两项实验可能已经捕捉到了惰性中微子的气息。LSND 在 1990 年代在洛斯阿拉莫斯国家实验室运行，发现了早期但有争议的证据，表明存在一种难以捉摸的中微子味转换类型——μ 子反中微子变形为电子反中微子。费米实验室的 MiniBooNE 于 2007 年开始产生科学成果，也暗示了这种转换。然而，LSND 和 MiniBooNE 振荡与标准的三中微子图景不太吻合。
量子力学允许中微子仅在它们具有质量且每种味具有不同质量的情况下在味之间振荡。各种中微子质量可以触发中微子转换，以解释 LSND 和 MiniBooNE 异常，但这只有在除了已知质量差之外还存在另一个质量差的情况下才有可能——换句话说，只有在存在四种而不是三种中微子类型的情况下才有可能。额外的中微子耦合到弱力将使 Z 玻色子（弱力的载体）衰变太快，因此该粒子根本不会与弱力相互作用。因此，被称为“惰性”：这种假设的中微子几乎与粒子动物园的其余部分完全脱钩。
另一种完全不同的探测器，可以捕获来自附近核反应堆的中微子，也记录了令人惊讶的结果，这些结果可能指向惰性中微子。来自几项反应堆实验的数据表明，电子反中微子在非常短的距离内异常消失，如果从中微子振荡的角度解释，这将意味着惰性中微子的存在。这种异常现象已经存在一段时间了，但最近对各种反应堆的中微子输出的重新计算加强了对新粒子的论证。
惰性中微子的证据（如果存在的话）仍然是粗略的、间接的和冲突的——所有这些都是在追求一种臭名昭著的难以捉摸，甚至可能不存在的粒子时所预期的。然而，MiniBooNE 和一个名为 MicroBooNE 的配套实验（目前正在费米实验室建造）可能很快就会对此事发表更确定的看法。并且正在讨论一批拟议的新实验，这些实验将研究反应堆异常。
令人瞩目的是，强大的 LHC 和相对低能量的中微子实验为探索自然的内在运作提供了如此互补的途径。在沃尔夫冈·泡利构思出他的“无法探测到的粒子” 80 多年后，中微子继续严守他们的秘密。尽管如此，解开这些秘密的潜在回报证明了数十年来为进一步窥探中微子的私生活所做的努力是合理的。