中微子或许是亚原子世界中最令人着迷的居民。这种基本粒子几乎没有质量，只受到弱核力和微弱的引力作用。由于与其他形式的物质只有这些微弱的联系，中微子可以穿过整个地球，而仅仅只有极小的几率撞击到一个原子。据说鬼魂可以穿墙而过，但在中微子面前，鬼魂也黯然失色。
中微子幽灵般的特性并非是它们与其他基本粒子的唯一区别。它们的独特之处在于它们没有固定的身份。已知的三种中微子能够通过一个称为中微子振荡的周期性过程相互转化。除了是亚原子幽灵之外，它们还是量子变色龙。
尽管中微子振荡现象已经在许多实验中得到研究，但这些数据并没有讲述一个统一的故事。根据一些实验的证据，一些科学家开始怀疑可能存在三种以上的中微子类型。这些假设的额外中微子类型，与我们熟悉的对应物不同，甚至不会通过弱核力相互作用，因此被称为惰性中微子。
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惰性中微子并非标准模型的一部分，标准模型是亚原子世界中被普遍接受的物质和能量理论。如果这些额外的中微子存在，它们将迫使物理学家重新审视该理论，并可能对其进行重大修改。一项即将开始测量的新实验或许能够解决之前调查是否已经观察到惰性中微子的问题。
令人困惑的信号
已知的三种中微子类型是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，每种中微子都以与其同时产生的带电粒子的名称命名。在我们早期对中微子物理学的理解中，这些类型中的每一种似乎都与其他两种不同。然而，在 20 世纪 60 年代和 70 年代，当实验开始显示出令人困惑的结果时，情况变得更加扑朔迷离。
电子中微子是在核反应中产生的，而最大的核反应堆是太阳。研究人员利用我们恒星的能量输出来计算他们预计到达地球的电子中微子数量。然而，测量结果显示，电子中微子数量仅为预测的三分之一。此外，当高能宇宙质子撞击地球大气层时，引发的粒子相互作用级联反应预计会产生两倍于电子中微子的μ子中微子。然而，实验测得的数量大致相等。
1957 年，物理学家布鲁诺·庞特科沃大胆提出，中微子可能会振荡，从而改变其身份。在 1998 年至 2001 年间，研究来自太阳和地球大气层中微子通量的探测器证明，中微子在到达我们的途中确实在转变为其他类型的中微子。
在 CERN 洁净室中看到的 ICARUS 探测器，正在为运往费米实验室做准备。图片来源：CERN
甚至在这些观测之前，研究人员就使用粒子束来研究中微子振荡的可能性。洛斯阿拉莫斯国家实验室使用液体闪烁体中微子探测器 (LSND) 进行的一项实验产生了几乎纯正μ子的样本。当μ子衰变时，它们产生了μ子反中微子。考虑到实验的设置，物理学家预计探测到电子反中微子的比率约为μ子反中微子数量的 0.06%。然而，他们测得电子反中微子约占相互作用的 0.31%，远高于预测值。
科学家可以通过研究当中微子与原子碰撞时产生的粒子来确定他们探测到的中微子类型。当中微子确实撞击到物质原子时，电子中微子会产生电子，而μ子中微子会产生μ子。τ子中微子的反应类似，但识别τ子粒子具有挑战性。
利用他们的测量结果（以及在其他地方进行的测量），LSND 科学家在 2001 年得出结论，三种中微子变体无法同时解释他们的数据以及当时存在的太阳和大气中微子测量结果。然而，如果存在第四种惰性中微子，那么这些实验就一致了。唯一的问题是，其他基于加速器的中微子测量结果并不支持第四种中微子的想法。因此，有必要进行另一次测量。
为了帮助解决这个难题，伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室（费米实验室）的研究人员建造了MiniBooNE（小型助推器中微子实验）。其想法是构建一个使用与 LSND 类似技术的探测器，但具有不同的粒子源和增强的探测器功能，以查看科学家是否可以澄清情况。
MiniBooNE 从 2002 年到 2018 年收集数据。2007 年发布的早期结果排除了对 LSND 发现的最简单解释，尽管它确实观察到了不同的超额。当科学家收集更多数据并进行了更复杂的分析后，他们在 2018 年得出结论，认为存在一个持续存在的谜团。
然而，其他实验讲述了不同的故事。费米实验室的另一个名为 MINOS（主喷注器中微子振荡搜索）的项目没有发现惰性中微子的证据。冰立方实验在南极洲也没有发现此类证据，该实验使用一立方千米的冰来研究来自太空的中微子。
核反应堆提供了另一种电子中微子源，研究人员也利用它们来寻找惰性中微子。2011 年，科学家报告称，与他们预期看到的相比，中国的一座反应堆的电子中微子减少了 6%。最近，其他研究人员声称，早期的计算存在错误，并且不存在赤字。
为了进一步调查这些令人困惑的差异，费米实验室的研究人员于 2015 年开始运行一项名为 MicroBooNE 的实验。与之前的 MiniBooNE 一样，MicroBooNE 使用了费米实验室助推器加速器产生的中微子，但相似之处仅止于此。MicroBooNE 是一种更先进的探测器，使研究人员能够更详细地解析中微子相互作用，从而减少了实验的模糊性。物理学家希望改进后的功能能够明确阐明 MiniBooNE 探测器是否正确识别了振荡事件，或者是否被类似相互作用所迷惑。
然而，MicroBooNE 的测量结果并未解决问题。该实验从 2015 年到 2021 年收集了数据，研究人员在 2021 年 10 月分享了他们对前三年信息的分析。他们没有发现惰性中微子存在的证据。
然后，MicroBooNE 研究人员研究了他们的数据，并试图将其与早期的 MiniBooNE 结果进行调和。科学家们得出结论，尽管他们无法证实 MiniBooNE 的结果，但两个实验的功能差异足以使两个测量结果都反映现实。是时候进行一项结论性的研究了。
最终答案
为了最终确定惰性中微子是否存在，费米实验室的研究人员建造了两个新的探测器，他们希望这两个探测器能够一劳永逸地解决这个问题。整个研究项目被称为短基线中微子 (SBN) 计划。这个名称反映了这样一个事实，即这两个探测器之间的距离比大多数基于加速器的中微子振荡实验的距离要短。
这些探测器位于与 MiniBooNE 和 MicroBooNE 使用的同一中微子束流线上。与 MicroBooNE 一样，这两个新探测器都采用液氩来探测中微子相互作用。靠近中微子产生位置的新探测器称为短基线近探测器 (SBND)，而位置较远的探测器称为成像宇宙和稀有地下信号 (ICARUS)。
基本实验方法是使用主要由μ子中微子组成的束流，该束流是使用费米实验室助推器加速器产生的。束流将立即穿过 SBND，SBND 将确定其电子中微子和μ子中微子的确切成分。（束流能量将足够低，以至于无法探测到τ子中微子。）然后，在距助推器约 600 米处，束流将穿过 ICARUS。研究人员将比较两个探测器处的中微子束流成分，并确定有多少中微子在从一个探测器移动到另一个探测器的过程中改变了类型。
为了使分析更加精细，每个探测器都将测量粒子携带的能量。这一点很重要，因为中微子振荡随能量而变化，而这种附加功能使研究人员能够表征能量依赖性。或许最关键的是，测量将确定μ子中微子的消失和电子中微子的出现。如果这两者不平衡，我们将知道μ子中微子正在振荡成其他东西——可能是惰性中微子。
这个实验计划优于之前的尝试，原因有几个。首先，该实验依赖于已使用了数十年的中微子束流，这意味着科学家们已经对其进行了详细研究并对其有所了解。其次，该装置对中微子束流的成分进行了两次测量，而不是依赖计算来估计中微子含量。第三，这两个测量都使用了基本相同的技术。这大大降低了任何观察到的信号可能源于两个探测器对中微子响应方式不同的可能性。最后，由于通用的探测器技术，在一个探测器中对中微子束流成分的任何误测都将在另一个探测器中得到匹配，从而减少总体测量中的不确定性。
ICARUS 比 SBND 更老，是第一个大型液氩中微子探测器。它最初是在欧洲实验中建造和使用的，之后在 2017 年经过翻新并运往费米实验室。相比之下，SBND 是专门为费米实验室中微子计划建造的。该探测器位于更靠近中微子产生的位置，并且比 ICARUS 小。SBND 于 2023 年 4 月安装在中微子束流线上，其各种电气、低温和真空服务正在连接和测试中。预计该探测器将于 2024 年 2 月接收其第一束束流。
下一步是什么
粒子物理实验很少能快速公布结果，对于中微子实验尤其如此，中微子实验的相互作用率极低。研究人员将不得不记录碰撞几年，以收集足够的数据来确定它们是否支持惰性中微子假说。
虽然寻找惰性中微子是 SBN 研究计划的主要重点，但科学家们也预计 SBND 将记录 20 到 30 倍于过去观察到的中微子与氩原子之间的相互作用。这将为费米实验室的另一项中微子工作，即即将到来的深地中微子实验 (DUNE) 提供重要输入。DUNE 将比以往任何实验都更大，它将位于距费米实验室约 1300 公里的一个洞穴中，该洞穴目前正在南达科他州一个废弃的金矿中地下约 1.5 公里处挖掘。DUNE 将研究与 SBN 研究的中微子振荡特征不同的特征，并将重点关注物质和反物质中微子是否以相同方式振荡的问题。DUNE 目前正在建设中，预计将于 2020 年代后期或 2030 年代初期开始运行。除了 SBN 对惰性中微子的关键调查之外，该计划实现的对中微子-物质相互作用的更好理解将为 DUNE 分析提供信息，从而更快地得出结论。
中微子有着漫长的困扰科学家的历史，从 1930 年首次提出这种粒子，到 1962 年证明存在多种类型的中微子，再到 21 世纪初证明中微子可以转变其身份。如果事实证明惰性中微子确实存在，物理学家将不得不在这份清单上再添一个惊喜。无论结果如何，很明显，不起眼的中微子仍然有很多故事要讲。