在 20 世纪 90 年代，一项研究中微子的实验发现了一些奇怪的现象：探测器中出现了过多的粒子。2002 年，科学家们开始了另一项实验，以弄清发生了什么事。那次试验也得到了令人惊讶的结果——但方式不同。然后在 2015 年进行了第三次实验。该实验上周宣布的测量结果既没有解决任何谜题，反而加剧了神秘感。
这些项目都研究了中微子——自然界中最丰富的粒子，仅次于光子（光粒子）。这些微小的、不带电荷的斑点从太阳、超新星和其他宇宙事件中流出，每秒约有万亿个穿过你的手。已知它们有三种类型或味道：电子中微子、μ子中微子和τ中微子。但许多科学家希望会出现第四种类型，称为“无菌中微子”。如果它们存在，无菌中微子可能有助于解决物理学中的几个谜团，例如，为什么中微子在理论预测它们不应该有质量的情况下却有质量，以及宇宙中弥漫的不可见的暗物质是由什么构成的。早期实验中令人费解的过量粒子让研究人员感到兴奋，因为它们看起来像是无菌中微子干扰正常中微子味道的可能迹象。
这种假定的中微子被称为“无菌”中微子，因为它们只通过引力与其他粒子相互作用，而已知的三种味道也可以通过弱力相互作用。但它们可能会影响其他中微子，因为这些粒子都具有一个奇怪的特性：能够“振荡”或改变味道。例如，一个最初是电子中微子的粒子可以变成 τ 中微子或 μ 子中微子，反之亦然。通常，这种转变发生在当微中子传播一定距离时，但在实验中，这种情况似乎发生得更快——洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器 (LSND) 及其后续实验，伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室 (Fermilab) 的迷你助推器中微子实验 (MiniBooNE)。科学家们认为，μ 子中微子可能会振荡成无菌中微子，然后再振荡成电子中微子，这个过程可能比简单的 μ 子到电子味道转换更快。
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精确视角
最新的发现来自 MiniBooNE 的后继者 MicroBooNE 实验，也在费米实验室进行。那里的物理学家们产生一股 μ 子中微子流，并将它们射向 470 米外的探测器。探测器是一个巨大的容器，装满了 170 公吨的纯液态氩，等待捕捉中微子撞击其中一个氩原子核的行为。这种碰撞极其罕见，唯一的迹象是相互作用产生的次级粒子。
科学家于 10 月 27 日宣布了 MicroBooNE 的结果，称他们没有看到 MiniBooNE 观察到的过量现象。“是的，这有点奇怪，”耶鲁大学 MicroBooNE 联合发言人 Bonnie Fleming 说。早期的实验看到了看起来像电子或光子的额外粒子，尽管他们无法证实这两种可能性中的任何一种。然而，MicroBooNE 可以更精确地观察粒子在其探测器中传播的方向以及它们沉积的能量。“这意味着我们可以确定某物是电子还是光子，”弗莱明说。“该实验的真正胜利在于技术运行良好。” 然而，结果是 MicroBooNE 科学家非常确定他们在所有观察到的地方都没有过量的电子或光子，这削弱了对某些版本无菌中微子的希望。如果 μ 子中微子可以快速变成无菌中微子，然后再变成电子中微子，那么电子就会在 MicroBooNE 中出现。（探测器离其源头不够远，无法发生普通的 μ 子中微子到电子中微子的振荡。）
但是，如果没有额外的电子或光子，那么 LSND 和 MiniBooNE 看到的剩余粒子是什么呢？一种可能是，无法解释的中微子碰撞实际上并没有发生在早期的任何一项实验中，并且在 MiniBooNE 的情况下，研究人员只是错过了该实验探测器内部的一些干扰。“也许探测器有一些尚未完全了解的地方，”日内瓦附近欧洲粒子物理实验室 CERN 和德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的理论物理学家约阿希姆·科普说。“但我认为这极不可能——运行这个实验的人都是高技能人才。”
其他人也同意。“探测器出现某种错误校准的可能性很小，”西北大学理论物理学家安德烈·德·古维亚说。“必须有一种新的电子或光子来源，或者看起来像电子或光子的东西。” 他说，也许正在发生更复杂的事情。提供 μ 子中微子的中微子源可能还会产生更重的无菌中微子，或者其他新的粒子，而不是 μ 子中微子振荡成无菌中微子，然后再振荡成电子中微子。这些粒子可能会衰变成其他东西——例如，一个普通的中微子和一些奇异的东西，例如“暗光子”（一种常规光子的表亲，已被理论化但从未被发现）。如果这个过程发生，它将产生一个电子和它的反物质伙伴正电子，这将显示出与普通电子不同的信号。MicroBooNE 尚未搜索到这样的对。
无菌中微子仍然是物理学家们感兴趣的前景。它们是试图解释为什么中微子有质量的理论的可能副产品。它们也可能有助于解释什么是暗物质。某些类型的无菌中微子可能是暗物质本身的候选者，或者它们可能是“暗区”的一部分，其中暗物质粒子将与无菌中微子相关或衰变为无菌中微子。“如果你四处询问[物理学家]，问‘你认为无菌中微子存在吗？’我认为每个人都会说这非常合理，”德·古维亚说。“但细节决定成败。它是重还是轻，容易看到还是难以看到？”
弄清楚这些中微子实验中发生了什么可能是回答那些更大问题的**第一步**。“这真的很有趣，因为所有明显的可能性现在都经过了测试，”科普说。“好消息是：我们有工具来进一步调查此事，并有望弄清真相。”
未来展望
MicroBooNE 是费米实验室一项名为短基线中微子 (SBN) 计划的更大中微子项目的一部分，该计划包括三个液态氩中微子探测器，它们与中微子源的距离不同。另外两个探测器是短基线近探测器 (SBND)，距源头仅 110 米，以及更远的 ICARUS T600 探测器，距离为 600 米。位于中间位置 470 米的 MicroBooNE 首先开始收集数据，而 ICARUS 和 SBND 将分别于今年和 2023 年开始。
“计划是进行更具包容性的测量，以更全面的方式查看允许参数的可能区域，”费米实验室 SBND 联合发言人奥内拉·帕拉马拉说。例如，如果对 MiniBooNE 结果的正确解释是无菌中微子，那么除了电子中微子的出现之外，科学家们还会看到 μ 子中微子事件在远处探测器中相应消失，因为粒子从微中子源传播得更远。“这就是 SBN 多探测器计划的优势，这是单个探测器无法做到的，”帕拉马拉说。“我们可以做很多事情，而 MicroBooNE 的这些分析仅仅是开始。”
科学家们说，最近 MicroBooNE 分析的技术复杂性预示着未来的前景良好。“这非常令人兴奋，因为 MicroBooNE 在理解这些中微子事件方面达到了前所未有的知识水平，”费米实验室理论部门负责人马塞拉·卡雷纳说。“这将使未来的实验能够加强他们的物理搜索。”
目前，关于无菌中微子的结论尚未最终确定。“我不认为无菌中微子的想法已经死了，”卡雷纳说。“对无菌中微子的搜索仍在继续。”